Спеціальні бетони для підсилення будівельних конструкцій, які експлуатуються в умовах дії агресивних середовищ

При цьому можливість утворення зародка кристалізації пропорційна швидкості виникнення зародків кристалізації і може бути описана рівнянням

, (5)

де В - постійний коефіцієнт,

К - газова постійна,

Т - температура,

S - питома міжфазна енергія,

С/Со - ступінь пересичення рідкої фази,

Vк - молекулярний об'єм фази, що утвориться.

Очевидно, що в такому випадку, при постійній витраті в'яжучого, із збільшенням витрати води (збільшенні розрідження цементного тіста Z) буде збільшуватися й об'єм фази, що утвориться, у якості якої виступає система " гель-вода ".

Виходячи з цих припущень, маємо, що, в який-нібито конкретний нескінченно малий проміжок часу dt, в аналізованій конкретній системі: V_k = V_ki = КZ_і; КТ = Сопst; ln(С/Со)=Сопst; S = S_і, отже, швидкість утворення кристалічних зародків і пропорційна їй можливість їхнього утворення, дорівнюють Вк = Р(А).

Так як руйнація конкретного цементного каменю відбувається при визначеній температурі Т, у визначений час t, при яких величина питомої міжфазової енергії S має деяке конкретне значення, то для даного цементного каменю, що руйнується за цих умов, Вк=Кexp[-ВZ²], де К, В - коефіцієнти. Тоді R = A[К exp(-ВZ²)] ^s, або R₁ = Mexp(-NZ²)

Отримані рівняння дозволяють управляти властивостями цементного тіста і каменю.

Встановлено, що бетонна суміш повинна мати визначений комплекс реологічних властивостей, то, для управління властивостями бетонної суміші, було визначено найбільше достовірну її модель, що включає найбільшу кількість параметрів (як структурних, так і технологічних), що мають визначальний вплив на властивості бетонної суміші. Виходячи з визначення особливості цієї моделі, отримано рівняння грузькості розчинної частини бетонної суміші = _нгехр(+аХ-сZ) і самої бетонної суміші

= _нгехр(+аХ+bY-сZ) або

G = Ln() = +аХ+bY-сZ

З дослідних даних, для спеціальних бетонних сумішей (табл. 1)

G = 4,2 + 3.8Х+ 0.53Y-2.42Z (6)

де Х - насичення розчинної частини бетонної суміші дрібним заповнювачем; Y - теж саме крупним заповнювачем.



Ц/В - цементно-водне відношення в бетоні,

[Ц/В] - цементно-водне відношення в цементному тісті нормальної густини.

Міцність бетону при стиску визначена виходячи з основного рівняння теорії руйнації твердого тіла

R_i = R_i-1 exp(A_iW_i),

де Rі - міцність при стиску на аналізованому структурному рівні

R_i-1 - міцність при стиску на попередньому структурному рівні

W_i - енергія руйнації твердого тіла, у даному випадку бетону, на аналізованому структурному рівні

A_i - коефіцієнт пропорційності.

Таблиця 1. Удобоукладність бетонної суміші

Витрати компонентів, кг/м3	Жорсткість, рухомість,см
Щебінь	Пісок	ПЦК	КПАР	Вода
359	1258	470	75	209	80/0
496	1166	521	80	200	90/0
528	1085	547	283	210	120/0
528	1174	500	-	192	26/0
972	609	565	те саме	217	20/0
301	1428	426	те саме	205	20/0
1019	469	480	61	260	20/0
1019	405	479	92	275	20/0
1049	333	470	121	284	23/0
280	1444	381	-	222	10/0
408	1364	327	те саме	221	-/2
357	1144	387	43	291	10/0
357	1100	387	60	302	10/0
357	1055	387	77	317	10/0
679	942	384	-	260	-/8
1020	540	407	те саме	275	-/10

Примітка. КПАР - комплексна поверхнево-активна речовина

Енергія ж руйнації твердого тіла складається з енергії руйнації цементного каменю та енергії руйнації контактного шару “цементний камінь - заповнювач”

Тобто Rв = KRцexp(-NZ2).

З експериментів (табл.2), для спеціального бетону

Rб = exp(0,16 - 2,62Z 2)

Визначивши з рівняння рухомості бетонної суміші величину Z, та підставив її у рівняння міцності бетону, отримана математична модель, яка визначає взаємозв'язок між міцністю бетону і рухомістю бетонної суміші

Rв = KRц exp[-N(G - - aX - bY)2]

Таблиця 2. Міцність спеціального бетону

Витрати компонентів бетону, кг/м3	Міцність бетону, МПа	Відхилення, %
Спеціальний цемент	вода	Пісок	Щебінь	Дослід	Розрахунок
411	172	786	754	36,6	36,0	-2,4
651	181	352	903	47,7	48,0	3,0
625	214	338	867	43,8	45,0	5,9
652	162	708	680	48,7	48,0	-4,7
404	185	773	742	35,5	36,0	3,2
200	150	886	851	16,0	16,0	0,0

Аналіз деформування бетону під навантаженням і деформування бетонної суміші з незруйнованою структурою показав, що вони проходять за тими самими законами. Тобто у цьому випадку проходить зсув часток системи одної відносно другої без розриву зв'язку між ними. Тоді величину початкового модуля пругкості бетону можна визначити як результат множення грузькості бетонної суміші з незруйнованою структурою, з якої отриманий даний бетон, на деякий перехідний коефіцієнт пропорційності К_п. Величина цього коефіцієнта може бути визначена дослідним шляхом. Отже, рівняння початкового модуля пругкості бетону має вид

(7)

Так як початковий модуль пругкості цементного каменю, отриманого з цементного тіста нормальної густини, однозначно пропорційний грузькості даного тіста, тобто Е_нг =К_нг, рівняння (7) приймає вид

або

Ln(1/Еб)= е + а e X + b e Y - c e Z + d e

де _е, а_е, b_e,, c_e, d_e - емпіричні коефіцієнти якості компонентів бетону, які визначаються дослідним шляхом.

Або, з експериментів (табл. 3), для спеціального бетону

Ln(1/Еб)= 4,2 + 5,1 Х + 3,2Y- 3.1Zї + 2,16

Таблиця 3. Початковий модуль пругкості спеціальних бетонів

Витрати компонентів бетону, кг/м3	Початковий модуль пругкості, 10-3 МПа	Відхилення, %
Цемент	Вода	Пісок	Щебінь	КЗКП	Олеат натрію	Розрахунок	Дослід
439	175	464	1280	-	-	37,4	32,8	14,0
351	175	464	1280	88	14	39,0	40,7	4,2
456	228	462	1152	-	-	27,6	29,0	-4,8
365	228	462	1152	91	15	32,0	33,7	-5,1
365	228	462	1152	-	15	29,6	29,9	0,0
409	245	466	1152	-	-	29,2	26,0	12,3
327	245	466	1152	82	13	31,4	32,8	-4,3
318	223	464	1280	-	-	29,2	25,0	16,8
254	223	464	1280	64	-	28,3	25,9	9,3
254	223	464	1280	64	10	33,4	34,4	8,2
318	223	464	1280	-	10	35,6	35,9	0,0

Примітка. КЗКП - кварцово-залізо-карбонатна порода

Отримані залежності міцності та початкового модуля пругкості спеціального бетону, а також рухомості бетонної суміші враховують наявність у цементі комплексної ПАР та дозволяють керувати цими властивостями системи.

Четвертий розділ присвячено визначенню особливості формування контактної зони спеціального цементу з матеріалами будівельних конструкцій. В умовах проведення експерименту дисперсна система “гідратаційне в'яжуче - комплексна ПАР”, як на портландцементному клінкері, так і на шлаколужному в'яжучому, для отримання якої застосовано, у якості лужної молекулярно-колоїдної ПАР, олеат натрію, має підвищену адгезію до матеріалів будівельних конструкцій (рис.3,4).

Результати досліджень впливу складу спеціального бетону на величину його адгезії до матеріалів будівельних конструкцій, зокрема водоцементного відношення, показали, що, із збільшенням водоцементного відношення у спеціальному (“свіжому”) бетоні до 0.5, міцність його зчеплення з матеріалами будівельних конструкцій значно зростає, подальше збільшення водоцементного відношення призводить до зниження міцність зчеплення.



Рис.3. Вплив вмісту олеата натрію в системі “портландцементний клінкер -ГГДЕ -олеат натрію” на адгезію цементного тіста до поверхні бетону.

Це явище пояснюється тим, що для забезпечення надійного зчеплення (високої міцності зчеплення) необхідно забезпечити підвищення рухливості “свіжого” бетону при його нанесенні на конструкцію, яку ремонтують. У той же час, збільшення водоцементного відношення в “свіжому” бетоні закономірно веде до зниження його міцності і, у тому числі, міцності його зчеплення з “старим” бетоном. При протіканні цих двох процесів, на початку, переважає позитивний ефект від збільшення рухливості “нової” бетонної суміші. При подальшому збільшенні водоцементного відношення, коли мінімально необхідна рухливість уже забезпечена, переважним виявляється зниження міцності “свіжого” бетону, що і тягне за собою зниження міцності його зчеплення з “старим”.

Дослідження впливу такої структурної характеристики як “концентрація цементного каменю в бетоні” на міцність зчеплення “старого” і “свіжого” бетонів, показали, що збільшення концентрації цементного каменю в “свіжому” бетоні до визначеної межі призводить до підвищення міцності зчеплення “старого” і “свіжого” бетонів. Подальше збільшення концентрації цементного каменю в “свіжому” бетоні призводить до зниження міцності зчеплення.

П'ятий розділ містить дослідження впливу технологічних факторів на властивості спеціального бетону, зокрема впливу порядку змішування компонентів бетонної суміші й терміну їхнього змішування. При цьому встановлено, що оптимальний порядок змішування компонентів спеціального бетону відрізняється від оптимального порядку змішування компонентів звичайного бетону. Це явище обумовлено наявністю гідрофільної грубодисперсної і лужної молекулярно-колоїдної ПАР. На підставі попередніх досліджень визначено, що усі процеси взаємодії між матеріалом конструкції, яку підсилюють, і бетоном, що застосований для підсилення, відбуваються на поверхні їхнього поділу. Отже, ці процеси підпорядковуються закономірностям хімії поверхні. Так як бетон, що призначений для підсилення конструкції, у момент свого зіткнення з поверхнею даної конструкції являє собою структуровану рідину, що, по загальновизнаному визначенню, зветься "бетонна суміш", то фізичні особливості межі поділу "поверхня конструкції, яку ремонтують - поверхня бетону, призначеного для підсилення" виявляються в явищах змочування й розтікання. Вимір вільної поверхневої енергії дає наочний метод проникнення у природу й характер сил, що існують на цій межі. У початковий момент нанесення рідини на поверхню твердого тіла величина площі їхнього контакту буде незначна. Отже, значення величин дотичних напруг від власної маси краплі, зовнішніх сил і адсорбції будуть значні. Крім цього, крайовий кут у цей момент буде більше 90^о, що обумовлює негативну величину його косинуса, тобто поверхневий натяг рідини до деякої міри також буде сприяти розтіканню рідини. Надалі, із збільшенням площі контакту рідини з твердим тілом, дотичні напруги від власної маси рідини, зовнішніх сил і адсорбції будуть зменшуватися, а при крайовому куті менше 90° поверхневий натяг рідини стане перешкоджати розтіканню рідини, що призведе до стану рівноваги.

Так як міцність зчеплення спеціального бетону з поверхнею конструкції, що підсилюється, в основному, забезпечується лише за рахунок їхнього адгезійного зчеплення, то для його збільшення, при постійній величині напруг адгезії, потрібно або збільшувати площу контакту спеціального бетону з поверхнею конструкції, або змащуваність поверхні спеціальною бетонною сумішшю. Величина напруг, які викликані адсорбційними силами, залежить від природи твердого тіла й рідини, отже, може регулюватися лише складом і властивостями рідини. Величина напруг, що викликані адгезійним зчепленням твердого тіла з рідиною, носить подвійний характер. Так у перший період часу, при розтіканні рідини, величина цих напруг перешкоджає розтіканню рідини, тобто її величина повинна бути мінімальною. Проте потім напруги адгезії, в основному, формують міцність контакту тверде тіло - рідина, і, отже, величина цих напруг повинна бути максимальною. Величина напруг тертя рідини об поверхню твердого тіла залежить в основному від грузькості рідини й шорсткості поверхні твердого тіла. Поверхневий натяг рідини залежить від складу рідини й в усіх випадках повинен бути мінімальним. Останнє може бути досягнуто, в аналізованому випадку, уведенням рідких поверхнево-активних речовин (ПАР) у спеціальну бетонну суміш. Проте даний метод має свої недоліки, тому що молекули ПАР, укриваючи тонким прошарком частки цементу, уповільнюють процеси його гідратації, що знижує ефективність ремонту - збільшується термін робіт і, як наслідок, збільшуються втрати від простою технологічного обладнання. При нанесенні спеціального бетону, на бетонну поверхню конструкції на межі їхнього поділу відбуваються реакції, що обумовлюють адгезійне зчеплення ремонтного бетону й бетону конструкції. Ці реакції супроводжуються прониканням цементного тіста з спеціального бетону в пори бетону конструкції, яку підсилюють. Тобто відбувається "анкеровка" спеціального бетону в порах бетону конструкції, яку підсилюють. Тим самим підвищується міцність зчеплення спеціального (“свіжого”) бетону і бетону конструкції (“старого” бетону). Максимальне зниження грузькості "нового" бетону необхідно не тільки для збільшення його прилипання до "старого" бетону, але і для його проникання в порожнини "старого" бетону.

Теоретичні дослідження показали, що для підвищення змочування поверхні “старого” бетону конструкції, попередньо, перед нанесенням спеціальної бетонної суміші, її необхідно покрити прошарком гідрофільного лужного ПАР. При цьому, необхідно, щоб орієнтація молекул ПАР сприяла адсорбції на них молекул води. Так для ремонту бетонних конструкцій, поверхневий прошарок яких містить значну кількість гідроксильних груп ОН^-, які стосовно води є слабко гідрофільними, очевидно варто заміняти на більш гідрофільний. Це може бути досягнуто обробкою поверхні таких конструкцій водяним розчином відповідних ПАР. Для металевих поверхонь було встановлено, що наявність на поверхні конструкції прошарків продуктів корозії у вигляді оксидів тривалентного заліза сприяє підвищенню міцності зчеплення її з спеціальним бетоном. Це пояснюється тим, що продукти корозії металу представлені його оксидами і виконують роль гідрофільної грубодисперсної ПАР, та тим, що вони є комплексоутворювачами, які адсорбують на своїй поверхні і в об'ємі продукти реакції спеціального цементу з бетону підсилення. Крім того, встановлено, що й у цьому випадку обробка поверхні конструкції гідрофільними лужними ПАР сприяє підвищенню міцності зчеплення спеціального бетону з поверхнею таких конструкцій. Результати порівняльних випробувань різноманітних видів ПАР, якими була оброблена поверхня металевих конструкцій (табл.4) показали, що попередня обробка поверхні металевої поверхнево-активними речовинами дозволяє підвищити міцність зчеплення її і “свіжого” бетону. Проведена перевірка впливу виду ПАР (рис.5), якими оброблена поверхня бетону конструкції, показала, що вид пластифікатора значно впливає на міцність зчеплення “старого” і “свіжого” бетону.

Таблиця 4. Параметри взаємодії цементного тіста з металевою поверхнею

Вид поверхні	Пластифікатор	Критерій ефективності пластифікатора - Ке	Товщина прошарку продуктів корозії, мкм	Величина адгезії, МПа
Не підготовлена	-	1,0	0	3,5
теж саме	-	1,0	23	5,7
теж саме	-	1,0	50	5,6
теж саме	-	1,0	112	3,2
теж саме	-	1,0	125	1,5
Пластифікована	С - 3	1,75	0	3,9
теж саме	теж саме	1,81	23	5,8
теж саме	теж саме	1,76	50	5,2
теж саме	теж саме	1,55	112	2,2
теж саме	теж саме	1,03	125	0,8
теж саме	олеат натрію	1,85	0	5,6
теж саме	теж саме	1,8	23	5,8
теж саме	теж саме	1,7	50	6,2
теж саме	теж саме	1,5	112	2,8
теж саме	теж саме	1,05	125	1,8

Примітка. Критерій ефективності пластифікатора - К_е визначений, як відношення діаметру розтікання бетонної суміші на поверхні, яка оброблена пластифікатором, до діаметра розтікання бетонної суміші на поверхні без попередньої обробки.

При цьому найбільше ефективним, із перевірених, виявився олеат натрію - лужна гідрофільна ПАР. Що можна пояснити відмінністю його структури від структури інших досліджуваних ПАР.

Порівняння методів підвищення міцності зчеплення “свіжого” і “старого” бетонів, показало, що найбільше оптимальним є або введення до складу “свіжого” бетону лужної гідрофільної ПАР, або обробка нею поверхні “старого” бетону. Проте введення лужної гідрофільної ПАР до складу нового бетону декілька уповільнює його строки тужавлення й твердіння.

Величина адгезії, МПа

Рис. 5 Вплив виду обробки бетонної поверхні будівельної конструкції на величину адгезії з нею спеціального бетону, який отримано на спеціальному цементі, що містить 80% портландцементного клінкера, 20% КЗКП та 0,4% олеата натрію, та нанесеного через 30 хв. після обробки цієї поверхні.

Очевидно, що не завжди можливо використання спеціального бетону безпосередньо відразу після його готування. Тобто, немаловажне значення, із технологічної точки зору, мають строки використання “свіжого” бетону після його готування. Для встановлення граничного часу можливого використання “свіжого” бетону була визначена міцність зчеплення “старого” і “свіжого” бетонів при різноманітних строках нанесення “свіжого” бетону після його готування.

Результати даних досліджень показали, що збільшення часу між готуванням і використанням “свіжого” бетону до визначеної межі призводить до збільшення міцності зчеплення. Подальше збільшення даного часу спричиняє за собою зниження міцності зчеплення. При цьому встановлено, що зниження водоцементного відношення в “свіжому” бетоні призводить до скорочення оптимальних строків його застосування. Це пояснюється з погляду теорії гідратації портландцементів. Так як на “свіжий” бетон, у процесі свого твердіння, впливає зовнішнє середовище, було проведене дослідження впливу зовнішнього середовища на міцність зчеплення “старого” і “свіжого” бетонів. Результати даних досліджень, показали, що збільшення вологості середовища твердіння “свіжого” бетону позитивно впливає на міцність зчеплення.

Встановлено, що тепловологісна характеристика середовища твердіння бетону - її інтенсивність, впливає на показники властивостей спеціального бетону. Цей вплив обумовлюється зміною структури затворювача - води. Як показав аналіз зміни властивостей води, у залежності від зміни температури, вони перетерплюють різкі зміни при визначених температурах, які дорівнюють Т₁ = 273°К, Т₂ = 277°К, Тз = 300°К і Т₄ = 377°К, що мають назву параметричних точок. Отже, зміна фізичних властивостей води при зміні температури твердіння спеціального бетону, в основному, і впливає на формування властивостей бетону. У загальному вигляді, характеристика теплового впливу оточуючого середовища - його інтенсивність може бути визначена з рівняння

U = K₁+ K₂N_а +K₃В+K₄ВN_а +K₅В ²(N_а -1)

де В - відношення міцності бетону до його міцності у 28 діб при твердінні у нормальних умовах;

N_а = S/m;

S - сумарна поверхня суміші заповнювачів в одиниці об'єму бетону

m - концентрація цементного каменю у бетоні

Спираючись на параметричні точки води, було встановлено, що з достатньою надійністю характеристика теплового та вологісного впливу не бетон оточуючого середовища, при температурах між другою й третьою параметричними точками води і нормального атмосферного тиску, може бути описана рівнянням

U₂₃ =t = 0,04+0,0336N_а + 0.29В+0,061ВN_а +0,107В ²(N_а -1)

При температурах оточуючого середовища між третьою та четвертою параметричними точками води - рівнянням

U₃₄ = t² = 1.172+1.008N_а +8.54В+1,76ВN_а +3.2В²(N_а -1)

де t - температура зовнішнього середовища, ^оС;

- термін дії середовища на бетон.

У шостому розділі наведені приклади практичного використання спеціального бетону та економічна ефективність його використання.

Отримані на основі проведених досліджень спеціальні бетони пройшли дослідно-промислову перевірку, і знайшли застосування при ремонті будівельних конструкцій і виробництві будівельних конструкцій, які у процесі своєї експлуатації піддаються впливу агресивних середовищ.

Так, за замовленням словацької фірми STAVEX виконано повторний захист шламозгущувачів Криворізького гірничо-збагачувального комбінату окислених руд, бетон яких виявився з підвищеною водопроникністю, і спостерігалося просочування води крізь тіло конструкції. Для запобігання течі, було зроблено нанесення прошарку спеціального бетону на внутрішню поверхню шламозгущувачів. Підготування поверхні конструкцій шламозгущувачів полягало в її очищенні й промиванні 0,5 % розчином олеату натрію. У виробництво був прийнятий дрібнозернистий бетон складу 1:2 при В/Ц = 0,4.

Спеціальний бетон укладався на поверхню шламозгущувачів методом набризку. Для цього в бетонозмішувачах примусової дії готувалася суха суміш спеціального цементу й заповнювача - річкового піску, віддозованих у необхідних співвідношеннях. Після готування, суха суміш завантажувалася в ємність торкрет-апарату і провадилося нанесення бетону. Після нанесення, металевими рейками виконано вирівнювання поверхні прошарку спеціального бетону. Товщина шару бетону покриття складала 50 мм. Випробування шламозгущувачів, заповненням їх водою, робили після 14 діб твердіння спеціального бетону. У результаті створення покриття поверхні шламозгущувачів спеціальним бетоном, течія води крізь бетонне тіло шламозгущувачів припинилася. Економічний ефект не визначався.

Спеціалізованим підприємством “Центр впровадження науково - технічних розробок “Шламобет” здійснено ремонт захисного шару бетону залізобетонних конструкцій камер теплового опрацювання бетонних і залізобетонних виробів. Камери являють собою прямокутні у плані ємності. Стіни й підлога камер виконані з важкого цементного бетону. Який, як показали випробування, мав підвищену проникність. Після 2-х річної експлуатації камер, на їхній внутрішній поверхні, як стін, так і підлоги, проявилися сліди корозії арматури. Ремонт конструкцій камер був здійснений покриттям їхніх внутрішніх поверхонь будівельним бітумом. Через 2 роки експлуатації, при огляді камер, була встановлена руйнація захисного покриття. Для підвищення довговічності був зроблений ремонт захисного шару бетону конструкцій камер спеціальним бетоном.

Для готування спеціального цементу використовувалися: основний компонент - Криворізький портландцементний клінкер, у якості гідрофільної грубодисперсної ПАР використовувалися тонкодисперсні відходи збагачення залізних руд, що по своєму складу відповідали досліджуваному в даній роботі комплексу гідрофільних грубодисперсних ПАР, Північного гірничо-збагачувального комбінату, а також олеат натрію. Для виробництва спеціального бетону застосовувалися в якості дрібного заповнювача - відходи Північного гірничо-збагачувального комбінату. Товщина ремонтного прошарку, виконаного зі спеціального бетону, склала 20 мм.

Підготування поверхні конструкцій, що ремонтуються, полягало в очищенні від слабких часток старого бетону піскоструминним апаратом і промиванні 0,5 % водяним розчином олеату натрію.

Нанесення спеціального бетону здійснювалося методом торкретування через 2 години після опрацювання поверхні конструкцій камер розчином олеату натрію. Для виробництва був прийнятий дрібнозернистий спеціальний бетон складу 1:2.2 при В/Ц = 0,42.

Ремонт захисного покриття залізобетонних конструкцій зі спеціального бетону знадобився через 4 роки експлуатації камер. Слідів відшарування спеціального бетону від поверхні конструкцій не виявлено. Руйнація спеціального бетону відбулася по його поверхні. Економічний ефект склав 53714 грн.

Цим же підприємством із 1995 року налагоджений випуск будівельних виробів із бетону і “товарного” бетону на спеціальному цементі на основі Криворізького портландцементного клінкера, тонкодисперсних відходів збагачення залізних руд і олеату натрію для виготовлення монолітних конструкцій, що призначені для експлуатації в умовах дії агресивних середовищ. Зокрема, виготовлялися фундаменти під гірничо-збагачувальне устаткування, підлоги, відмостки й інші конструкції для будинків Північного гірничо-збагачувального комбінату. Застосування спеціального бетону для виробництва будівельних конструкцій дозволило скоротити витрату цементу при виробництві даних виробів без зниження їхньої якості, що, в основному, визначалося їхньою довговічністю в умовах дії агресивних середовищ. Економічний ефект склав 393753 грн.

ДП “КипАРиС” був зроблений ремонт труб залізобетонних безнапірних каналізаційних із застосуванням спеціального бетону. Міжремонтний термін даних труб, при захисті їхньої поверхні будівельним бітумом складав 6 років. Заміна бітумного захисного покриття на покриття зі спеціального бетону, із застосуванням у якості гідрофільної грубодисперсної ПАР відходів збагачення залізних руд, дозволила продовжити міжремонтний термін служби залізобетонних безнапірних туб до 12 років.

Підготування поверхні залізобетонних труб для нанесення спеціального бетону провадилося опрацюванням піскоструминними апаратами з метою очищення поверхні від часток зруйнованого бетону. Потім оброблена поверхня труб промивалася водяним розчином олеату натрію концентрацією 0,5%.

Для ремонту залізобетонних труб був застосований дрібнозернистий спеціальний бетон на цементі, що складається з Криворізького портландцементного клінкера, оксиду заліза й олеату натрію. У якості дрібного заповнювача використано Дніпровський річковий пісок. Склад бетону прийнятий 1:2,2 при В/Ц = 0,42.

Нанесення спеціального бетону на поверхню залізобетонних труб здійснювалося методом набризку. Для цього шляхом перемішування у змішувачах примусової дії готувалася суха суміш портландцементу, оксиду заліза й піску, що завантажувалася в ємкість цемент-апарату.

Після нанесення на поверхню труб, бетонна суміш розгладжувалася спеціальними пристосуваннями, по своїх обрисах відтворює конфігурацію труби. Економічний ефект склав 172253 грн.

Розроблені й затверджені у встановленому порядку технічні умови ТУ У В.2.6-14.1-13464244.003-2002 “Бетони спеціальні для відновлення, захисту і посилення будівельних конструкцій”.

Разом із науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій (м. Київ) розроблені “Методичні рекомендації з розрахунку, посиленню і захисту будівельних конструкцій”, що передбачають використання спеціального бетону для захисту і посилення будівельних конструкцій.

Розроблений метод розрахунку складів бетонів пройшов перевірку і застосовувався Криворізьким заводом великопанельних конструкцій ОАО “Криворожжитлобуд”. Застосування запропонованого методу розрахунку складів бетону дозволило знизити витрату цементу при незмінній якості бетону й виробів на його основі. Таким чином, результати промислового застосування підтвердили ефективність отриманого спеціального бетону для ремонту будівельних конструкцій і розробленого методу розрахунку його складів.

ВИСНОВКИ

1. На основі положень колоїдної хімії, фізико-хімічної механіки дисперсних систем і експериментальних досліджень розроблені наукові основи одержання композиційних матеріалів на основі дисперсної системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна поверхнево-активна речовина, що складається з гідрофільної грубодисперсної, заснованої на перехідних хімічних елементах, і лужної молекулярно-колоїдної поверхнево-активних речовин”, одержуваних, як на основі портландцементного клінкера, так і шлаколужного в'яжучого. Доведено, що ці композиційні матеріали мають властивості, що відрізняються від властивостей відомих композиційних матеріалів, зокрема, підвищеними міцністю при стиску й адгезією до основних матеріалів будівельних конструкцій, а також зниженими проникністю і деформативністю, що дозволяє віднести їх до спеціальних видів композиційних матеріалів.

2. Встановлено механізм дії гідрофільної грубодисперсної, лужної молекулярно-колоїдної ПАР і їхніх сумішей у дисперсних системах, що твердіють, як на основі портландцементного клінкера, так і шлаколужного в'яжучого, що полягає в модифікації поверхні поділу між компонентами цих систем, яка призводить до зміни послідовності їхньої гідратації. При цьому доведено, що модифікація поверхні поділу між компонентами дисперсної системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР” компонентами комплексної ПАР, полягає у їхній вибірковій хемосорбції до компонентів гідравлічного в'яжучого, що обумовлює зміни у структурі цієї системи, які полягають у специфічному фазовому складі гідратних утворень, зменшеній кількості зерен гідравлічного в'яжучого, що не гідратирувалися, і зменшеної відкритої шпаристості. Основними особливостями фазового складу гідратних утворень даної системи, який залежить від складу комплексної ПАР, виду і мінералогічного складу гідравлічного в'яжучого, є наявність: значної кількості стійких комплексних з'єднань на основі перехідних хімічних елементів, що містять значну кількість зв'язаної води та утворюються за рахунок взаємодії грубодисперсної ПАР із гідравлічним в'яжучим, і залозистих мінералів цеолітової групи, що утворюються за рахунок взаємодії гідрооксиду лужного металу з гідрофільною грубодисперсною ПАР, а також кальцієвих солей органічних кислот за рахунок взаємодії гідрооксиду кальцію, що виділяється при твердінні гідравлічного в'яжучого з лужним молекулярно-колоїдної ПАР. Це збільшує ступінь зв'язування води й оксидів кальцію і лужного металу у стійкі малорозчинні комплексні з'єднання і мікроармуванню одержуваного композиційного матеріалу вуглеводневими радикалами кальцієвих солей органічних кислот, які кольматують пори системи, надаючи гідрофобні властивості її поверхні, що, у свою чергу, призводить до зменшення її проникності, підвищенню морозостійкості і підвищенню стійкості до дії агресивних середовищ.

При цьому найбільше раціональним, із погляду одержання високих конструкційних і експлуатаційних властивостей даного матеріалу, є застосування в якості гідрофільної грубодисперсної ПАР суміші оксиду і карбонату заліза у співвідношенні, близькому до 1:1 або природних гірських порід із таким співвідношенням між зазначеними з'єднаннями заліза, у якості лужної молекулярно-колоїдної ПАР - натрієвих солей органічних кислот. Визначено, що раціональний вміст комплексної ПАР у системі складає 20…25% від її дисперсної фази, у тому числі гідрофільної грубодисперсної ПАР - 19…24%, молекулярно-колоїдної ПАР - 0,35…0,45%. Це, у свою чергу, призводить до інтенсифікації процесу гідратації на 50…60%, підвищенню міцності на 30…40% і щільності на 40…45%, а також зниженню деформативності на 30…40% одержуваного композиційного матеріалу в порівнянні з відомими.

3. Встановлено, що модифікація поверхонь поділу компонентів системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР - заповнювач”, одержуваної, як на основі портландцементного клінкера, так і шлаколужного в'яжучого, комплексною ПАР за рахунок утворення стабільних гідратних утворень із високим утриманням зв'язаної води, малорозчинних з'єднань цеолітової групи і мікроармуванням поверхні вуглеводневими радикалами органічних кислот забезпечує одержання композиційного матеріалу, що володіє підвищеною міцністю при стиску, а також зниженими проникністю і деформативністю, що дозволяє віднести його до спеціальних бетонів. А пластифікація бетонної суміші комплексною ПАР покращує її удобоукладність.

При цьому застосування в якості заповнювачів даної системи залізовмісних гірських порід або відходів промисловості призводить до поліпшення конструкційних і експлуатаційних властивостей матеріалу за рахунок збільшення міцності контакту між в'яжучим, що містить комплексну ПАР, і цими заповнювачами.

4. Доведено, що модифікація поверхні поділу багатокомпонентної системи “спеціальний бетон посилення - поверхня конструкції, яку посилюють” комплексною ПАР, що відбувається за рахунок хімічної й обмінної адсорбції компонентів дисперсної системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР” на матеріалі будівельної конструкції і їхнього хімічного зрощування, призводить до підвищення адгезії продуктів твердіння даної дисперсної системи з матеріалом будівельної конструкції, забезпечуючи підвищення міцності зчеплення між елементами цієї багатокомпонентної системи.

Попередня модифікація поверхні будівельної конструкції шляхом її опрацювання водяним розчином олеату натрію - одним із видів лужної молекулярно-колоїдної ПАР за рахунок утворення мікроанкерів із вуглеводневих радикалів олеїнової кислоти на цій поверхні також сприяє збільшенню міцності зчеплення спеціального бетону з матеріалом будівельної конструкції. При цьому, збільшення шпаристості бетонної поверхні за рахунок підвищеного, у порівнянні з відомими цементними системами, проникання в ці пори дисперсної системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР” призводить до збільшення міцності механічного зчеплення спеціального бетону з бетонною поверхнею конструкції. Карбонізація цієї поверхні на глибину до 3 мм за рахунок взаємодії дисперсної системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР” із продуктами карбонізації бетону конструкції не впливає на міцність зчеплення спеціального бетону з бетонною поверхнею, а наявність прошарку оксидів заліза товщиною до 50 мкм на поверхні металевих елементів конструкції призводить до підвищення міцності зчеплення спеціального бетону з металевою поверхнею елементів конструкцій.

5. Встановлено закономірності зміни в часі конструкційних характеристик спеціального бетону. Зокрема, інтенсивний приріст міцності на 20...…40% при незначному його гальмуванні в початкові терміни твердіння, підвищення межі міцності при стиску на 30…40% і розміру початкового модуля пругкості на 30…40%, а також зниження власної усадки на 20…25%. Підвищення експлуатаційних властивостей цього бетону полягає в підвищенні стійкості при дії агресивних середовищ на 40…50%, морозостійкості на 20…30% і зниженні проникності на 20…30%. Поліпшення конструкційних і експлуатаційних властивостей бетонів відбувається за рахунок наявності у складі продуктів гідратації спеціального цементу значної кількості високо закристалізованих гідратних утворень із високим утриманням зв'язаної води, мінералів цеолітової групи і вуглеводневих радикалів органічних кислот.

6. Розроблено основи урахування впливу комплексної ПАР і її компонентів у дисперсній системі “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР” на властивості цієї системи при проектуванні її складів і складів бетону, одержуваного на її основі, для посилення будівельних конструкцій. Показано, що оцінка дії лужної молекулярно-колоїдної ПАР здійснюється зміною ступеня розрідження дисперсної системи, за рахунок дії цієї ПАР, а гідрофільної грубодисперсної ПАР - у грузькості цементного тіста, проникності і деформативності композиційного матеріалу.

Розроблено методику проектування складів бетонів, як системи “гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР - заповнювач”, для посилення будівельних конструкцій, що дозволяє прогнозувати, як його конструкційні й експлуатаційні властивості, так і технологічні властивості бетонної суміші.

7. Техніко-економічна ефективність розроблених спеціальних бетонів базується на комплексі чинників: знижених деформативності і проникності, підвищених міцностях при стиску і зчеплення з матеріалом будівельної конструкції, стійкості до дії агресивних середовищ, що гарантують одержання довговічних бетонів із високими експлуатаційними властивостями.

Результати досліджень реалізовані шляхом промислового використання спеціальних бетонів підприємствами України, введенням у користування низки нормативних і методичних документів, у тому числі: ТУ У В.2. 6-14. 1-13464244-003-2003 “Бетони спеціальні для відновлення, захисти і посилення будівельних конструкцій”, “Методичні рекомендації з розрахунку, посиленню і захисту будівельних конструкцій шлакошламовими лужними бетонами” і використанням у навчальному процесі при підготовці спеціалістів фаху 7. 092104 “Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів”.

Економічна ефективність спеціальних бетонів утворюється за рахунок збільшення міжремонтних термінів експлуатації будівельних конструкцій, за рахунок підвищеної довговічності отриманих бетонів, і склала 620727 грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Шишкин А.А. Формирование прочности гидротехнического бетона. / Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом стр-ве. вып. 1 “Обычные и гидротехнические бетоны с заданными свойствами”. - Дн-ск: “Полиграфист”, 1995, с.44-45.

2. Шишкин А.А. Прогнозирование прочности гидротехнического бетона / Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом стр-ве. вып. 2. - Дн-ск: “Полиграфист”, 1996, с.33.

3. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Закономерности изменения прочности бетона во времени. // Сталезалізобетонні конструкції: проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. статей / Редкол.: Стороженко Л.І. (відп. ред.). - Кривий Ріг : 1998 - с. 16-18

4. Шишкин А.А. Формирование свойств бетона при производстве строительных конструкций.// Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник, вип.50 "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону", Київ, НДІБК, 1999, с.427-429

5. Шишкин А.А. Предупреждение аварий строительных конструкций защитой их от действия агрессивной среды. // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник. Вип.51. “Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження”. К.: НДБІК, 1999, с.198-201

6. Шишкин А.А., Аль-Вассаби Набиль Гигрометрические свойства дорожных бетонов в условиях сухого жаркого климата // Строительство: Сб. научн. тр. ДИИТа. - Вып. 6. - Днепропетровск, 1999. - с. 155-157.

7. Шишкин А. А. Спеціальні бетони для підсилення та захисту будівельних конструкцій. // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сб. научн. тр. №9, ч.1. - Дн-ск: ПГАСиА, 1999, с. 270-278.

8. Шишкин А. А. Пути повышения прочности контактной зоны бетонной обоймы с усиляемой конструкцией // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, Вып. № 13 - Дн-ск: ПГАСА, 2000 С. 23-28.

9. Шишкин А.А. Специальные бетоны для усиления фундаментов. // Будівельні конструкції Міжвідомчий науково-технічний збірник. Вип.53. “Механіка грунтів та фундаментобудування”. Книга 2. К. : НДІБК, 2000, с. 213-218

10. Шишкин А. А. Поле составов бетона // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, Вып. № 14- Дн-ск: ПГАСА, 2001 С. 23-28.

11. Шишкин А. А. Влияние среды твердения на свойства бетона // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, вып. № 15 - Дн-ск: ПГАСА, 2001, с. 32-36

12. Шишкин А.А. Физическая химия контактной зоны бетонов. - Кривой Рог: Изд-во “Минерал” АГНУ, 2001. - 88 с.

13. Шишкін О.О. Спеціальні бетони для підсилення будівельних конструкцій, що експлуатуються в умовах дії агресивних середовищ. - Кривий Ріг: вид-во “Мінерал”, 2001. - 113с.

14. Шишкин А.А. Вяжущие вещества на основе отходов горнорудной промышленности. Кривой Рог: Изд-во “Минерал” АГНУ, 2001. - 67 с.

15. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Активированные вяжущие вещества и бетоны на их основе. - Кривой Рог: Изд-во “Мінерал” АГНУ, 2001.- 104 с.

16. Пунагін В.М., Савін Л.С., Шишкін О.О. Керування властивостями бетону. - Кривий Ріг: Вид-во “Мінерал” АГНУ, 2001. - 156 с.

17. Аль-Васаби Набиль Абдулла, Шишкин А.А., Джур М.Ю. Специальные бетоны в условиях действия повышенных температур. - Кривий Ріг: Вид-во “Мінерал” АГНУ, 2001. - 104 с.

18. Шишкин А.А., Савин Ю.Л. Бетоны для усиления строительных конструкций. //Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник. Вип.54. “Реконструкція будівель і споруд. Досвід та проблеми” К. : НДІБК, 2001, с. 791-800.

19. Шишкин А. А. Физико-механические основы формирования реологических свойств бетонной смеси с гидрофильными грубодисперсными эмульгаторами // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, вып. № 16 - Дн-ск: ПГАСА, 2002, с. 25-32.

20. Шишкин А. А. Оценка состояния защитного слоя бетона железобетонных конструкций и методы его восстановления // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, вып. 18. - Днепропетровск: ПГАСиА, 2002. с. 215 - 218.

21. Шишкин А. А. Физико-химические процессы формирования контактной зоны между новым бетоном и материалами строительных конструкций // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, вып. № 19 - Дн-ск: ПГАСА, 2002, с. 58-70.

22. Шишкин А. А. Технология приготовления бетонов для усиления, защиты и восстановления строительных конструкций // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, вып. № 20 - Дн-ск: ПГАСА, 2002, с. 29-39.

23. Шишкин А. А. Формирование деформативных свойств бетонов // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник, вип.56 "Сучасні проблеми бетону та його технологій", Київ, НДІБК, 2002, с. 147-152.

24. Зинько О.П., Шишкин А.А., Рыжкова К.С. Свойства контактной зоны эмульгированного бетона с материалами строительных конструкций // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник, вип.58 "Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ", Київ, НДІБК, 2003, с. 235-238.

25. Пунагин В.Н. Шишкин А.А., Дзюбан А.В. Кирнев А.Д. Теория и практика назначения составов бетона. К.: УМК ВО, 1990. - 76 с.

26. Пунагин В. Н., Шишкин А.А., Калюжный Г.И. Продление срока службы строительных конструкций при реконструкции // Тез.конф. "Проблемы проектирования и технологии выполнения работ при реконструкции действующих предприятий, зданий и сооружений Пенза. ПРДЭНТП, 1991, с.46-47

27. Шишкин А.А., Калюжный Г.И. Ремонт кровли зданий, выполненной из профлиста // Тез.докл. конф. "Проблемы технологии выполнения работ при реконструкции действующих предприятий, зданий и сооружений. Пенза. ПРДЭНТП, 1992, с.42

28. Бамбура А.Н., Пунагин В.Н., Шишкин А.А., Калюжный Г.И. Методические рекомендации по расчету, усилению и защите строительных конструкций шлакошламовыми щелочными бетонами. Киев : НИИСК, 1993 - 20 с.

29. Шишкин А.А. Искусственные строительные конгломераты на основе отходов промышленности // Тез. докл. ІІ-й Международной конф. ICMB'93, Днепропетровск, 1993, с.126-127

30. Шишкин А.А., Приходько А.П., Лебедев А.А. Метод прогнозирования прочности бетона // "Материалы для строительных конструкций" Сборник тез. IY-й Международной конф. ICMB'96, Дн-ск, 1996, с.84-85

31. Шишкин А.А. Бетоны с пониженной деформативностью для производства строительных конструкций // "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону" Збірник тез. Київ: НДІБК, 1996, с. 271-272

32. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Структурообразование цементного теста с добавлением отходов горнообагатительных комбинатов // Строительство. Материаловедение. Машиностроение // Сб. научн. тр. №9, ч.1. - Дн-ск: ПГАСиА, 1999, с. 317-323

33. Татаренко М.М., Шишкін О.О., Микула М.В., Коверніченко Л.М. Проектування і розрахунок основ і фундаментів під колони промислових будівель. Навчальний посібник. - Кривий Ріг, "Мінерал", 1998. -107 с.

34. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Повышение качества цемента путем введения добавок на основе отходов ГОК // Разработка рудных месторождений / Республиканский межведомственный научно-технический сборник Вып. 71 Кривой Рог: КрТУ, 2000, с.75-79

35. Шишкин А.А., М.Ю. Кирильчук Напряженно-деформированное состояние ремонтного покрытия строительных конструкций // Зб. наук. ст. Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація. Вип. 5. -Кривий Ріг: КТУ,2002. - с. 239-243.

Размещено на Allbest.ru

...