Наукові основи підвищення ефективності використання цементу в бетонах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Наукові основи підвищення ефективності використання цементу в бетонах

Нетеса Микола Іванович

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Пшінько Олександр Миколайович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, завідувач кафедри “Будівлі та будівельні матеріали”, ректор університету.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри виробництва будівельних виробів і конструкцій;

доктор технічних наук, професор Сторожук Микола Андрійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри будівельних матеріалів, виробів і конструкцій;

доктор технічних наук, професор Дудар Ігор Никифорович, Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри містобудування та архітектури.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів і виробів, м. Харків.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

Анотація

Нетеса М.І. Наукові основи підвищення ефективності використання цементу в бетонах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Д., 2004.

Установлені причини суттєвого зниження ефективності використання цементу в бетонах з низькими витратами цементу у порівнянні в бетонами підвищеної міцності. Головною з них являється висока дефектність структури, особливо крупні пори, які обумовлюють значну концентрацію напружень розтягу. Розрахунками напружено-деформованого стану моделей бетонів доведено, що такі напруження значно зменшуються, якщо пори знаходяться між жорстким наповнювачем або заповнювачем.

Обґрунтовані методи покращення структури бетонів з низькими витратами цементу за рахунок забезпечення раціонального зернового складу компонентів бетонної суміші. Доведено, що співвідношення абсолютних об'ємів крупної, середньої і дрібної фракцій повинно бути 52:23:25, а середні розміри їх зерен відрізнятися не менше ніж в 8 раз. Забезпеченням потрібної кількості дрібнозернистої фракції, яка складається з цементу, пилевидних фракцій піску та щебеню, а також з додатково введених вторинних кремнеземистих продуктів промисловості, покращується структура бетонів з низькими витратами цементу, а потрібна міцність досягається при значно менших витратах цементу. Ефективність використання сучасних суперпластифікаторів в бетонах з низькими витратами цементу значно вища в сумішах з раціональним зерновим складом компонентів. В промислових умовах підтверджена ефективність використання раціонального зернового складу компонентів бетонних сумішей для отримання бетонів міцністю до 20 МПа.

Ключові слова: бетони, зерновий склад, компоненти, напружено-деформований стан, напруження розтягу, суперпластифікатор, структура, міцність, модель, бетонна суміш.

Аннотация

Нетеса Н.И. Научные основы повышения эффективности использования цемента в бетонах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Д., 2004.

Установлены причины существенного снижения эффективности использования цемента в бетонах с низкими расходами цемента по сравнению в бетонами повышенной прочности. Главной из них является более высокая дефектность структуры, в особенности наличие крупных пор, которые обуславливают значительную концентрацию растягивающих напряжений, а следовательно микро- и макротрещинообразование при более низком уровне внешних нагрузок, чем в бетонах с улучшенной структурой. Проведенными расчетными экспериментами с использованием метода конечных элементов и специально разработанных методик определено влияние характера дефектности структуры на концентрацию растягивающих напряжений, начальное микротрещинообразование, последующее развитие и распространение трещин. В частности, определено, что концентрация наиболее опасных для бетонов растягивающих напряжений уменьшается в несколько раз, если поры находятся между жестким наполнителем или заполнителем. Следовательно, обеспечением плотной упаковки зерен инертных компонентов можно получить улучшенную структуру и существенно снизить концентрацию наиболее опасных для бетонов растягивающих напряжений, повысить трещиностойкость и прочность бетонов.

Обоснованы методы улучшения структуры бетонов с низкими расходами цемента за счет обеспечения рационального зернового состава компонентов бетонной смеси. Определено, что соотношение абсолютных объемов крупной, средней и мелкой фракций должно быть 52:23:25, а средние размеры их зерен отличаться не менее чем в 8 раз. Обеспечением нужного количества мелкозернистой фракции, которая состоит из цемента, пылевидных фракций, содержащихся в песке и щебне, а также из дополнительно введенных вторичных кремнеземсодержащих продуктов промышленности, улучшается структура бетонов с низкими расходами цемента, а необходимая прочность достигается при значительно меньших расходах цемента.

Стуктурные характеристики бетонов изучены по скорости ультразвука, плотности, абсолютному водопоглощению и коэффициентам его кинетики. Лучшие все структурные характеристики определены в бетонах, которые получены из смесей с рациональным зерновым составом компонентов. Эти бетоны с лучшими структурными характеристиками имеют значительно более высокую морозостойкость, чем бетоны полученные из бетонных смесей с таким же расходом цемента, но из смесей, изготавливаемых по традиционной технологии с нерациональным зерновым составом компонентов. При расходах цемента 100...150 кг/м³ и необходимом для обеспечения рационального зернового состава компонентов расходе хвостов обогащения железных руд около 400 кг из смесей с маркой по удобоукладываемости П 2 получены бетоны средней прочностью от 10 до 15 МПа, маркой по морозостойкости F 100, а в отдельных случаях и выше.

Наилучшие структурные и прочностные характеристики, а также обеспечивается наиболее высокая эффективность использования цемента в бетонах, получаемых при расходах цемента до 150 кг/м³ и введении для обеспечения рационального зернового состава компонентов бетонных смесей золы уноса. Но практически такого же результата можно достичь при использовании в качестве наполнителя хвостов обогащения железных руд и дополнительной модификации бетонных смесей суперпластификаторами.

Для изучения комплексного влияния важнейших технологических режимов уплотнения бетонных смесей и их составов на структуру, прочность и коэффициент эффективности использования цемента проведены обширные планированные эксперименты. Варьировали интенсивностью виброуплотнения, расходом различных видов наполнителей, суперпластификатора, воды и цемента. В качестве оптимизируемых приняты плотность, скорость ультразвука, абсолютная пористость и соотношение размеров пор, определяемые по абсолютному водопоглощению и его кинетике, а также прочность и коэффициент эффективности использования цемента. Опрелено, что наиболее существенное влияние на прочность, коэффициент эффективности использования цемента и важнейшие структурные характеристики бетонов оказывает расход наполнителя. Изменение исследуемых факторов в изученном диапазоне не приводит к резкому изменению важнейших свойств бетонной смеси и затвердевшего бетона, что весьма важно для практической реализации результатов исследований.

В промышленных условиях подтверждена эффективность использования рационального зернового состава компонентов бетонных смесей для получения бетонов с низкими расходами цемента. Для реализации полученных результатов исследований в производственных условиях разработаны и утверждены в установленном порядке технические условия ТУ В 26.6 - 30324948-001-2004 “Суміші бетонні з наповнювачами для низькоміцних бетонів”.

Ключевые слова: бетоны, зерновой состав, компонент, напряженно-деформированное состояние, растягивающие напряжения, суперпластификатор, структура, прочность, модель, бетонная смесь.

The summary

Netesa N.I. Scientific of the bases high of efficiency use of cement in the concrete. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.23.05 - Building materials and products. - Pridneprovskay state academy of construction and architecture, Dnepropetrovsk, 2004.

The reasons of essential decrease (reduction) of efficiency of use of cement in lowfirm concrete in comparison in concrete of the raised (increased) durability are established. Main of them is high defectness of structure, in particular large defects, which cause significant concentration of stretching (dragging out) pressure (voltage). By accounts is intense - is deformed condition of models of concrete is established, that such pressure(voltage) considerably decrease, if defects are between rigid fillers.

The methods of improvement of structure lowfirm of concrete are proved at the expense of maintenance of rational grain structure of components of a concrete mix. Is established, that the parity (ratio) of absolute volumes of large, average and fine fractions should be 52:23:25, and average sizes of their grains to differ not smaller than in 8 times. By maintenance of the necessary quantity(amount) smallgrain of a fraction, which consists of cement, dustness of fractions contained in sand and rubble, and also from in addition entered secondary silicon of products of an industry, the structure lowfirm of concrete is improved, and the necessary durability is reached(achieved) at much (significant, considerably) the smaller charges of cement. The efficiency of use modern the superqualifiers in lowfirm concrete is much higher in mixes with rational grain structure of components. In industrial conditions the efficiency of use of rational grain structure of components of concrete mixes for reception lowfirm of concrete is confirmed.

Key words: lowfirm of concrete, grain structure, component, is intense - is deformed a condition stretching pressure, the superqualifier, structure, durability, model, concrete mix.

1. Загальна характеристика роботи

бетон цемент напруження

Актуальність теми. Розроблені теоретичні основи фізико-хімічної механіки бетонів і технологічні способи реалізації цілеспрямованого створення структури бетонів, в тому числі з використанням дрібнозернистих вторинних продуктів промисловості, забезпечили сучасне виробництво бетонів з широким діапазоном потрібних властивостей. Але ефективність використання цементу в бетонах залишається низькою. Особливо високі питомі витрати цементу на досягнення одиничної міцності бетонів з малими витратами цементу. При виробництві кожної тони цементу витрачається понад 200 кг умовного палива, а викиди в атмосферу вуглекислого газу та інших шкідливих речовин досягають півтори тони. Тому для вирішення актуальних в Україні економічних, енергетичних та екологічних проблем треба отримувати необхідні властивості бетонів, особливо з низькими витратами цементу, за рахунок покращення їх структури при суттєвому зменшенні витрат цементу і утилізації в них значної кількості вторинних дрібнозернистих продуктів промисловості.

Вирішити ці проблеми можливо шляхом подальшого розвитку структурних теорій міцності на основі використання досягнень фундаментальних наук. Зокрема, важливо визначити вплив дефектів структури бетонів на концентрацію напружень та деформацій в них, розвиток і розповсюдження мікро-, а потім і макротріщин.

Аналізом отриманих результатів досліджень можна знайти причини низької ефективності використання цементу в бетонах, особливо з низькими витратами цементу, та способи покращення їх структури. Один з них - зниження міжзернової пустотності і, відповідно, зниження потреби цементу за рахунок введення раціональної кількості вторинних дрібнозернистих продуктів промисловості. Таким чином, розробка наукових основ підвищення ефективності використання цементу в бетонах і на цій базі покращення їх структури, головним чином за рахунок модифікації наповнювачами із дрібнозернистих вторинних продуктів, актуально, особливо для України. Вирішення цієї важливої народно-господарчої проблеми забезпечує зниження вартості та енергомісткості бетонів за рахунок зменшення використаного цементу, а також сприяє зменшенню забруднення навколишнього середовища.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація підготовлена при виконанні досліджень за тематичними планами НДЛ “Технології бетонів” ДІІТу, які розроблялися відповідно до цільової комплексної програми О.Ц.031, підпрограми 0.55.16.Ц, затвердженої постановою Держбуду СРСР і Держплану № 205/509/246 від 22.12.81 року; “Основних напрямків соціальної політики на 1997-2000 рр.”, згідно з Указом Президента України від 18.10.1997, № 1166; наказу Держбуду України “Комплекс коротко- і довгострокових заходів, спрямованих на збільшення обсягів виробництва конкурентноздатної продукції, проведення структурних перетворень у будівельному і житлово-комунальному комплексі, створення нових робочих місць, підвищення прибутковості державної діяльності, забезпечення своєчасного проведення розрахунків з бюджетом і виплати заробітної плати” від 28.12.1999, № 313; наказу Держбуду України “Про першочергові заходи щодо реалізації Послання Президента України Верховній Раді України “Україна: вступ у ХХІ сторіччя - стратегія економічного і соціального розвитку на 2002 - 2004 рр.” від 18.10.2000, № 318; “Концепції реструктуризації залізничного транспорту України” (схвалена Радою Укрзалізниці, протокол № 5 від 24.04.1997 р., затвердженої рішенням Колегії Міністерства транспорту України, протокол № 14 від 18.06.1997 р., схваленої Міжвідомчою комісією з питань демонополізації економіки, протокол № 5 від 18.02.1998 р.). Базовими для підготовки та подання дисертаційної роботи є науково-дослідні роботи з номерами державної реєстрації: 01840027396; 81024324; 01860101286; 01890030693; 01880050597; 01880050598, по яких автор був керівником і відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка наукових основ підвищення ефективності використання цементу в бетонах цілеспрямованим покращенням їх структури та забезпеченням потрібних властивостей при зменшених витратах цементу та утилізації значної кількості дрібнозернистих вторинних продуктів промисловості.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- визначити причини низької ефективності використання цементу в бетонах, особливо при низьких його витратах;

- визначити вплив дефектів структури бетонів на концентрацію напружень і деформацій в них;

- виявити закономірності мікро- та макротріщиноутворення на розрахункових моделях бетонів;

- виявити головні вимоги до структури бетонів і основні технологічні способи їх реалізації;

- визначити раціональний зерновий склад компонентів бетонних сумішей, який може забезпечити мінімальну міжзернову пустотність і покращення структури бетонів, особливо з низькими витратами цементу;

- визначити ефективність використання суперпластифікаторів в бетонних сумішах з раціональним зерновим складом компонентів та низькими витратами цементу;

- визначити межі потрібної інтенсивності віброущільнення бетонних сумішей з раціональним зерновим складом компонентів і низькими витратами цементу, в яких надійно ущільнюються такі суміші, а отже забезпечується покращена структура та необхідні фізико-механічні властивості бетонів;

- розробити ефективний спрощений спосіб вибору раціонального зернового складу компонентів бетонних сумішей з утилізацією в них максимально можливої кількості дрібнозернистих вторинних продуктів промисловості та мінімально необхідної потреби цементу.

Об'єкт дослідження - бетони з низькими витратами цементу, для яких необхідно забезпечити покращену структуру при мінімально необхідній кількості цементу та максимально можливій утилізації в них дрібнозернистих вторинних продуктів промисловості.

Предмет дослідження - вплив дефектів структури бетонів на міцність, визначення раціонального зернового складу компонентів бетонних сумішей та найважливіших технологічних факторів, які забезпечують покращену структуру бетонів, особливо з низькими витратами цементу.

Методи дослідження - вивчення напружено-деформованого стану бетонів численними методами теорії пружності, експериментальні дослідження властивостей бетонів з використанням сучасних статистичних методів планування та обробітку отриманих результатів. Структура та міцність бетонів вивчалися в основному стандартними методами, які в окремих випадках вдосконалювалися.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- дістали подальший розвиток структурні теорії міцності бетонів в результаті визначення впливу дефектів структури бетонів на напружено-деформований стан та закономірностей утворення та розвитку мікротріщин, які виявлено на моделях, що значно точніше відображають реальну структуру бетонів, ніж використані для аналогічних цілей раніше;

- аналізом результатів розрахунків вищезгаданих моделей і реальної дефектності структури бетонів різної міцності визначені причини низької ефективності використання цементу, особливо в низькоміцних, у порівнянні з бетонами середньої та високої міцності;

- за результатами розрахунків моделей виявлено, що найбільш небезпечні для бетонів напруження розтягу, які виникають на межі пори з цементним каменем, в декілька разів менші, якщо цементний камінь з порами знаходиться між більш жорстким заповнювачем, ніж в однорідному середовищі;

- установлена принципова концепція підвищення ефективності використання цементу в бетонах шляхом зниження дефектності їх структури;

- для покращення структури бетонів і підвищення ефективності використання цементу в них обгрунтована необхідність витримувати в бетонній суміші співвідношення крупної фракції до середньої та дрібної в межах 48...56 : 19...26 : 22...28, а для дрібнозернистих бетонів - 66...74 : 26...34 при раціональному співвідношенні розмірів зерен більшої фракції до меншої не менше 8;

- обгрунтована необхідність врахування в складі дрібнозернистого компоненту, крім цементу та спеціально введеного наповнювача, також тих складових піску та щебеню, які мають розмір зерен цементу;

- доказана доцільність використання трикутника Фере для знаходження раціонального зернового складу компонентів бетонної суміші із матеріалів з будь-яким зерновим складом без попереднього їх розсіву.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються отриманими в виробничих умовах на основі розроблених основних наукових положень роботи хорошими структурними характеристиками та необхідною міцністю бетонів, особливо з міцністю до 20 МПа, при значно нижчих витратах цементу, ніж аналогічних бетонів, які виробляються за традиційними технологіями. Головні наукові положення по покращенню структури бетонів використанням раціонального зернового складу компонентів бетонних сумішей підтверджені багатьма експериментами, в тому числі планованими з перевіркою достовірності отриманих результатів класичними методами теорії ймовірностей, при використанні різноманітних наповнювачів та інших складових.

Наукове значення роботи - подальший розвиток структурних теорій міцності бетонів. На основі отриманих результатів установлені головні вимоги і способи покращення структури бетонів. Їх реалізація дозволяє цілеспрямовано отримувати бетони покращеної структури з потрібними фізико-механічними характеристиками при значно знижених витратах цементу, а отже більш високою ефективністю його використання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в значному підвищенні ефективності використання цементу в бетонах за рахунок покращення їх структури забезпеченням раціонального зернового складу компонентів бетонних сумішей. Одержані результати досліджень дозволяють суттєво знизити витрати цементу та збільшити об'єми утилізації в бетонах дрібнозернистих вторинних продуктів промисловості, забезпечуючи вирішення дуже важливих для України економічних, енергетичних та екологічних проблем. Результати досліджень найбільш ефективно можна використовувати при виготовленні монолітних конструкцій та штучних виробів із крупнозернистих і дрібнозернистих бетонів, а також при використанні цементно-піщаних розчинів міцністю до 20 МПа. Для практичної реалізації результатів досліджень розроблені та затверджені в установленому порядку технічні умови ТУ У 26.6 - 30324948-001-2004 “Суміші бетонні з наповнювачами для низькоміцних бетонів”, які дозволяють використовувати в виробничих умовах вторинні промислові кремнеземисті продукти для забезпечення раціонального зернового складу компонентів модифікованих цими наповнювачами бетонних сумішей.

Впровадження результатів досліджень проведено в ТОВ НВП “Промспецстрой” об'єднання “Концерн Гидромонтажспецстрой” при виготовленні товарного крупнозернистого бетону класів В7,5 - В15 з загальним економічним ефектом 238 тис. грн.

Особистим внеском здобувача в опублікованих з співавторами роботах є розроблена ним головна наукова концепція дисертації, яка полягає в подальшому розвитку структурних теорій міцності бетонів. Зокрема визначені причини та умови зниження концентрації напружень і деформацій, які обумовлюють раннє мікротріщиноутворення та наступний розвиток тріщин. Розроблені закономірності цілеспрямованого формування структури бетонів із зниженою дефектністю, яка забезпечує підвищену ефективність використання цементу та утилізацію в них максимально необхідного вмісту вторинних дрібнозернистих продуктів промисловості. Основні результати дисертації опубліковані в фахових виданнях ВАК України. Із наукових праць, виданих в співавторстві, в дисертації використані тільки ті ідеї та положення, які являються наслідком роботи особисто здобувача, що відзначено в авторефераті у переліку основних публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднено на: республіканській науково-технічній конференції “Проблемы создания новых строительных конструкций и технологии их производства” (Мінськ, 1982); всесоюзній науково-технічній конференції “Теория, производство и применение искусственных строительных конгломератов” (Владимир, 1982); всесоюзній конференції “Управление структурообразованием, структурой и свойствами дорожных бетонов” (Харків, 1983); всесоюзній науково-технічній конференції “Теория, производство и применение искусственных строительных конгломератов в водохозяйственном строительстве” (Ташкент, 1985); республіканській регіональній науково-технічній конференції (Ашхабад, 1985); зональній науково-технічній конференції “Композиционные строительные материалы с использованием отходов промышленности” (Пенза, 1986, 1988); Х всесоюзній конференції по бетону і залізобетону “Бетон и железобетон. Ресурсо- и энергосберегающие конструкции и технологии” (Казань, 1988); республіканській конференції “Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов” (Харьков, 1989); науково-технічному семінарі “Ресурсосберегающие технологии в производстве железобетона” (Челябинск, 1990); міжнародному екосимпозіумі “Транспорт и окружающая среда” (Дніпропетровськ, 1998); міжнародній конференції “Проблеми реконструкції та експлуатації промислових та цивільних об'єктів” (Дніпропетровськ, 1999); 40-му, 41-му, 42-му і 43-му міжнародних семінарах “Моделирование и оптимизация в материаловедении” (Одеса, 2001, 2002, 2003, 2004); міжнародній науково-технічній інтернет-конференції “Экономика и эффективная организация производства” (Брянск, 2001); Стародубовські читання 2001, 2002, міжнародній науковій конференції “Вопросы современного материаловедения” (Дніпропетровськ, 2001, 2002); ІІ та Ш науково-технічних семінарах “Структура, властивості та склад бетону” (Рівне, 2002, 2003); ІІІ міжнародній науковій конференції “Перспективные задачи инженерной науки” (Алушта, 2002); другій міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології в будівництві” (Київ, 2002); Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми бетону та його технологій” (Київ, 2002); Міжнародній науково-практичній конференції “Новейшие технологии диагностики, ремонта и восстановления обьектов строительства и транспорта” (Україна, республіка Крим, 2003).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в монографії, 31 статті в наукових журналах і збірниках наукових праць, 12 матеріалах і тезах конференцій, 12 авторських свідоцтвах і патентах, в тому числі 27 фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 372 сторінках і має вступ, 7 розділів, висновки, список використаних джерел з 267 назв, включає 42 таблиці, 104 рисунки та два додатки.

2. Зміст роботи

У першому розділі розглянуті проблеми отримання покращеної структури бетонів, яка може забезпечити потрібні фізико-механічні характеристики.

Цілеспрямоване структуроутворення бетонів являється головним напрямком забезпечення та удосконалення їх основних властивостей. Розвиток структурних теорій міцності композиційних матеріалів і використання їх основних положень для прогнозування найважливіших структурних характеристик бетонів є основою для подальшого розвитку теорій і практики бетонознавства. В цих теоріях вивчається головним чином вплив неоднорідності структури на зародження та розвиток тріщин і виявляються закономірності з цілеспрямованого формування раціональної структури. Створена в другій половині минулого століття нова наука - фізико-хімічна механіка бетонів, яка враховує основні особливості бетону, як одного з композиційних матеріалів, по суті забезпечила сучасний рівень бетонознавства та вирішення практичних завдань виготовлення різноманітних конструкцій та виробів із бетону та залізобетону. Найбільш значний внесок в її створення та розвиток внесли І.М. Ахвердов, О.Я. Берг, П.І. Боженов, І.М. Грушко, Б.В. Гусєв, О.Е. Дьосов, В.В. Михайлов, О.П. Мчедлов-Петросян, А.М. Невиль, П.О. Ребиндер, Б.Г. Скрамтаев і інші вчені та їх школи.

В межах фізико-хімічної механіки бетонів вивчаються та установлюються закономірності та механізм деформаційних процесів, які передують руйнуванню в залежності від складу та структури бетону при різноманітних зовнішніх навантаженнях і впливах. На цій основі установлюються головні вимоги щодо потрібних основних структурних характеристик бетонів. А в процесі вивчення фізико-механічних закономірностей і механізму процесів структуроутворення бетонів з потрібними властивостями - головні вимоги до технологічних процесів на кожному їх етапі для гарантованого отримання бетонів з потрібними властивостями.

Аналізом результатів розрахунків напружено-деформованого стану моделей бетонів і експериментально доведено (О.Я. Берг, І.М. Грушко, П.Г. Комохов і ін.), що руйнування бетону відбувається поступово в результаті створення та розвитку мікроскопічних тріщин. Останні в свою чергу створюються головним чином в результаті виникнення в бетоні напружень розтягу, як на етапі структуроутворення - виготовлення бетону, так і на етапі його експлуатації - дії експлуатаційних впливів і навантажень. Отже напруження розтягу в бетоні являються визначальними не тільки в забезпеченні його міцності, але й довговічності. Бо довготривала міцність (по І.М. Грушко) по суті обумовлюється розвитком чи гальмуванням тріщиноутворення.

Дослідники вважають за необхідне подальше вивчення механізму генерації тріщин, як на етапі формування, так і в процесі руйнування структури бетону. Бо тільки на цій основі можна визначити, настільки небезпечні різноманітні тріщини та відпрацювати технологічні способи гальмування процесів руйнування бетонів. Але для вирішення цих проблем треба використовувати сучасні методи теорії пружності та математичний апарат, використовувати моделі, які найбільш повно відображають реальну структуру бетонів. Аналізом результатів таких досліджень необхідно сформулювати більш точні вимоги щодо структури бетонів, яка може забезпечити підвищену економічність, а також довгострокову безвідмовну їх роботу при різноманітних умовах експлуатації та навантаженнях.

Цілеспрямоване створення потрібної структури бетонів з установленими конкретними вимогами до неї, в якій в значній мірі може зменшуватися концентрація напружень розтягу, забезпечується в основному вибором раціонального співвідношення використаних компонентів бетонів. Це ключове питання бетонознавства, якому приділяється головна увага дослідників. Незважаючи на те, що бетон являється типовим представником композиційних матеріалів, підходи та головна концепція визначення складів бетонних сумішей суттєво відрізняється від відомих в інших аналогічних композиційних матеріалах. Так, в бетонознавстві панує загальноприйнята концепція (Б.Г. Скрамтаєв, Ю.М. Баженов, Л.І. Дворкін, В.М. Пунагін і ін.), яка передбачає створення та вирішення системи з чотирьох рівнянь і знаходження витрат кожного з чотирьох основних компонентів.

Але, як вважають П.І. Боженов і ін., така концепція має суттєві вади, бо не може забезпечити раціонального зернового складу компонентів. Як наслідок, основна частина цементу використовується не за призначенням - для об'єднання всіх компонентів в єдиний моноліт, а в значній мірі для заповнення пустот між цими компонентами. Особливо значні перевитрати цементу спостерігаються в бетонах міцністю до 20 МПа, в яких питомі витрати на досягнення одиничної міцності в два-три рази вищі, ніж в бетонах середньої та високої міцності. Тому більш раціонально проблеми міцності бетонів, особливо низькоміцних, треба вирішувати за рахунок ефективного використання заповнювачів і наповнювачів, підвищуючи щільність мінерального скелету, а не традиційно - збільшенням витрат цементу. Для реалізації цієї задачі важливо вивчити досвід визначення кількості та якості складових в інших композиційних матеріалах: силікатах, кераміці, порошковій металургії, асфальтобетонах і ґрунтознавстві.

Концепція визначення складових в вищезгаданих композиційних матеріалах суттєво відрізняється від загальноприйнятої в бетонознавстві. Головною вимогою до інгредієнтів цих композитів являється раціональний зерновий склад, який повинен забезпечити мінімальну пустотність формовки. Виконання установлених закономірностей дозволяє при мінімальних витратах в'яжучого забезпечити найкращі властивості композитів.

Необхідність перегляду існуючих концепцій визначення складу бетонів, особливо низької міцності, які отримують з бетонних сумішей з малими витратами цементу, обумовлюється також використанням ефективних суперпластифікаторів нового покоління. Ці суперпластифікатори в значній мірі вирішують проблему водопотреби заповнювачів і наповнювачів з високою питомою поверхнею. Характерною особливістю складів, що використовуються фірмами розвинених країн, є значні об'єми використання в них дрібнозернистих компонентів при забезпеченні високих технологічних властивостей бетонних сумішей і фізико-механічних характеристик затверділого бетону без перевитрат цементу.

У другому розділі подана методологія теоретичних і експериментальних досліджень і характеристики використаних матеріалів. Використані найбільш розповсюджені цементи, наповнювачі, зокрема хвости збагачення залізних руд, і заповнювачі. Крім основних фізико-механічних характеристик використаних матеріалів визначали також їх зерновий склад, який є важливим чинником для забезпечення підвищеної щільності бетону.

Структура бетону вивчалася переважно за допомогою стандартних методик визначення щільності, пористості, швидкості ультразвуку, а також за кінетикою водопоглинення.

З цього точного аналітичного рішення рівнянь кривих водопоглинення можна легко з допомогою ЕОМ по досить простому алгоритму визначати коефіцієнти. Аналогічні рішення отримані для методу безперервного гідростатичного зважування. В програму розрахунків коефіцієнтів закладена процедура визначення та упередження помилок введення вхідних даних, а результати розрахунків можуть повторно використовуватися для статистичної обробки. Результати аналітичного розрахунку показників пористості по нашій програмі добре співпадають з найденими графічним методом за методикою ГОСТ 12730.4-78. Але при використанні нашої програми можна суттєво економити час їх визначення, виключити можливі помилки, без додаткових значних витрат часу отримати статистично оброблені результати дослідження пористості бетону.

Особлива увага приділялась точності результатів випробувань зразків. Проведені попередні аналітичні та експериментальні дослідження по вивченню причин неоднорідності міцності бетону, зокрема можливого впливу випробувальних факторів. Установлені критерії виключення неоднакового впливу випробувальних факторів на результат визначення міцності бетону методом руйнування. Доведено, що форма зруйнованого зразка, яка завжди повинна бути близькою до класичної форми зруйнованих зразків кам'яних матеріалів, свідчить про відповідність умов навантаження зразка вимогам стандарту. Будь яке відхилення форми зруйнованого зразка від класичної виникає перш за все при нещільному контакті плити преса з опорною гранню поверхні зразка, що приводить до зменшення міцності бетону за рахунок виникнення в ньому додаткових напружень розтягу.

Оскільки класичними методами теорії пружності неможливо визначити напруження та деформації в бетоні з урахуванням його дійсної неоднорідності, для вирішення цієї задачі використано один з числових методів теорії пружності - метод скінчених елементів. Цей метод дозволяє, використовуючи розрахункові моделі бетонів, які досить реально відображають дійсну структуру бетонів, визначати їх напружено-деформований стан.

Використовуючи сучасні ЕОМ, можна легко визначати напружено-деформований стан моделей бетонів. А розроблена нами методика ітераційного методу врахування нелінійної залежності між напруженнями та деформаціями дозволила визначати вплив напружень і деформацій на мікро- та макротріщиноутворення в бетонах.

У третьому розділі на розрахункових моделях вивчено вплив основних структурних характеристик, в тому числі дефектів структури, на напружено-деформований стан, міцність та морозостійкість бетонів. Для вирішення цієї задачі використані відпрацьовані методики розрахунків моделей бетонів методом скінчених елементів. Найбільш детально вивчався вплив характеру пористості та місцезнаходження пор по відношенню до заповнювача та наповнювача на напружено-деформований стан, який виникає при дії зовнішнього навантаження та замерзаючої в порах води.

Аналіз результатів розрахунків моделі з однією порою в однорідній матриці, якій задані усереднені пружні характеристики затверділого бетону, показав, що найбільш небезпечні для бетону напруження розтягу виникають на межі пори з матрицею, вони рівні за величиною інтенсивності зовнішніх навантажень. Практично такий же результат отримано і при вирішенні аналогічної задачі класичним методом теорії пружності. Таке порівняння результатів розрахунків дало змогу впевнитися в правильності вибраних розрахункових моделей методом скінчених елементів і в подальшому використовувати аналогічні моделі для вирішення більш складних задач, які неможливо вирішувати класичними методами теорії пружності.

Аналізом результатів розрахунків моделей бетонів методом скінчених елементів установлені наступні закономірності. Напруження розтягу на межі матриці та пори в декілька разів менші при їх розташуванні між більш жорстким заповнювачем, ніж без нього. Дещо вищий рівень напружень розтягу спостерігається в деяких областях заповнювача та на його межі з матрицею. Але ці напруження в декілька разів менші, ніж на межі пори та матриці, які виявлені розрахунками на моделях без заповнювача. Розрахунками цих моделей з використанням ітераційного методу доведено, що при більш сприятливому полі напружень очікується початкове мікротріщиноутворення, а також подальший розвиток і розповсюдження тріщин при вищому рівні зовнішніх навантажень, а отже слід очікувати вищих тріщиностійкості та міцності бетону.

При моделюванні дії замерзаючої в порах води розрахунками відповідних моделей бетонів доведено, що заповнювач практично не може впливати на поле напружень і деформацій. Але більш сприятливе поле напружень і деформацій спостерігається, якщо поряд з більш крупними порами є менші, не заповнені рідкою фазою пори.

Отримані результати розрахунків напружено-деформованого стану моделей бетонів і їх аналіз разом з результатами випробувань бетонів різної міцності та структурних характеристик дозволили сформулювати одну з основних робочих гіпотез. Її суть полягає в тому, що для суттєвого підвищення ефективності використання цементу в бетонах, особливо низькоміцних, необхідно значно зменшити дефектність їх структури, яка обумовлює значну концентрацію найбільш небезпечних для бетонів напружень розтягу. Для цього необхідно якомога більше насичувати бетон заповнювачем і наповнювачем, щоб створювати якомога щільнішу структуру, а пори цементного каменю могли б розташовуватися в тонких плівках між більш жорсткими компонентами. Отже, необхідно оптимізувати склади бетонів, знаходити відповідні закономірності вибору їх складових. Особливо важливо знайти можливість зменшення крупних пор, як їх кількості, так і загального об'єму. Тому найбільшу увагу треба приділити оптимізації потрібної кількості дрібної складової в бетоні , в тому числі наповнювачів.

Як показує аналіз результатів розрахунків наших моделей, підвищена концентрація наповнювача в цементних системах може бути корисною не тільки по виявлених П.О. Ребіндером причинах - фізико-хімічної активності наповнювача, але може зменшувати величину напружень розтягу біля пор. Отже, виявлені закономірності зміни напружено-деформованого стану моделей бетонів дозволяють сформулювати другу важливу робочу гіпотезу роботи - підвищена концентрація наповнювача в цементних системах може бути корисною для зниження концентрації напружень розтягу, а отже, упереджувати раннє мікротріщиноутворення та наступний розвиток тріщин.

В четвертому розділі обґрунтовано раціональний зерновий склад компонентів бетонних сумішей. За основний критерій раціональності прийнята максимальна щільність суміші після формування прийнятими режимами ущільнення. В експериментальних дослідженнях використовувалися матеріали, з яких виготовляється бетонна суміш. Ці матеріали попередньо розсівали на окремі фракції, а потім контролювали їх основні характеристики при змішуванні. Двофракційні суміші приймали у співвідношенні 7:3, при якому найменша пустотність незалежно від інших факторів. На рис. 2 представлені результати експериментальних досліджень по визначенню пустотності двофракційних сухих сумішей з різними максимальними розмірами зерен. Суміші ущільнювалися на стандартному столичку для струшування. Аналіз результатів досліджень показує, що найбільш інтенсивне зниження пустотності двофракційних сумішей спостерігається при зменшенні співвідношення середніх розмірів фракцій до 10...15. Але якщо врахувати, що пустотність кожної окремої фракції складала 36...38 %, то навіть при співвідношенні середніх діаметрів змішаних фракцій біля 5, зменшення пустотності суттєве.

Трифракційні суміші досліджувалися при постійному співвідношенні діаметрів фракцій, яке було рівним 100:10:1. Використовувалися: найбільша фракція 3...5 мм; середня 0,3...0,5 мм і дрібна 0,08 мм, 70 % зерен якої мали розмір 40...50 мкм. Кількісне співвідношення по масі найбільшої фракції до середньої прийнято постійним 7:3, а дрібної змінювали від 0 до 30 % від загальної маси компонентів в суміші. Ущільнення сухих сумішей проводили як і в попередньому експерименті. Результати цих досліджень представлені на рис.3 (залежність 1). Вони підтверджують, що найменша пустотність трифракційної суміші, рівна 18,8 %, спостерігається при вмісту дрібної фракції 25 % від загальної маси суміші. А кількісне співвідношення крупної, середньої та дрібної фракцій при цій мінімальній пустотності складає 52:23:25. Але реалізувати отриманий результат в процесі виробництва бетонних сумішей досить складно - необхідні значні витрати на попередній розсів для отримання потрібних фракцій, до того ж такі суміші можуть розшаровуватися.

Тому нами перевірена можливість використання суміші декількох раціональних зернових складів, які мають зменшену пустотність. Результати цього експерименту представлені на рис. 4. Їх аналіз показує, що при змішуванні в будь-якій пропорції сумішей з раціональним зерновим складом компонентів їх пустотність залишається в межах отриманої пустотності кожної окремої суміші _ пропорційно кількості кожної з змішуваних сумішей.

Спостерігається навіть деяке зменшення пустотності при змішуванні двох двофракційних сумішей, що можна пояснити створенням в такій суміші деякої кількості трифракційної суміші.

Цей результат має важливе практичне значення. Бо він підтверджує, що для забезпечення раціонального зернового складу компонентів необхідно, щоб кожній фракції відповідала необхідна кількість іншої, щоб їх співвідношення забезпечувало мінімальну пустотність суміші. Отже, можна використовувати безперервний зерновий склад з його перевагами, але в той же час в такому складі необхідно витримувати раціональне співвідношення між фракціями, щоб забезпечувати мінімальну пустотність суміші.

В подальших дослідженнях вивчався вплив вологості на щільність сумішей різноманітного зернового складу. В цих дослідженнях суміші ущільнювали з однаковою інтенсивністю трамбування. Оптимальність вологості сумішей, а також зернового складу компонентів оцінювали за мінімальною пустотністю тільки твердих компонентів. Використовували трифракційну суміш з співвідношенням середніх діаметрів фракцій 100:10:1 при максимальних розмірах найбільшої фракції 3…5 мм. В експериментах змінювали вологість від 6,1 до 9,3 %, а також вміст дрібної фракції від 0 до 30 % від загальної маси твердих компонентів, залишаючи постійним співвідношення між крупною і середньою фракціями 7:3. Крім того, в складі дрібної фракції змінювали вміст цементу. Цими експериментальними дослідженнями доведено, що найменшої пустотності можна досягти при оптимальній вологості сумішей з раціональним зерновим складом компонентів, а вміст цементу в складі дрібної фракції практично не впливає на пустотність суміші.

Проведено також планований трифакторний трирівневий експеримент, в якому змінювали вологість суміші, вміст дрібних компонентів із хвостів збагачення залізних руд, а також співвідношення діаметрів середніх і дрібних компонентів суміші. Аналіз результатів цього планованого експерименту показав, що закономірності зміни пустотності суміші практично однакові при використанні в якості дрібної фракції як хвостів збагачення залізних руд, так і меленого піску та його сумішей з цементом в будь-яких пропорціях. Найбільш суттєво з трьох вивчених факторів на пустотність суміші впливає вміст дрібного компоненту, який повинен складати 20…28 % для забезпечення найменшої пустотності суміші.

Важливо, що збільшення пустотності суміші по мірі відхилення вивчених факторів від оптимальних спостерігається поступове, залишається практично на постійному рівні в досить широкому діапазоні значень перемінних. Отже, при можливому коливанні цих характеристик в реальних виробничих умовах не очікується різкої зміни пустотності суміші, а очевидно, і найважливіших характеристик бетону.

В п'ятому розділі вивчено вплив зернового складу компонентів на структуру та основні властивості бетонів. На цьому етапі досліджень перевірялась сформульована за результатами попередніх досліджень гіпотеза про доцільність зниження загальної дефектності структури бетонів, особливо зменшення крупних пор в низькоміцних бетонах. В основу вирішення цієї проблеми покладені отримані в попередньому розділі закономірності зниження пустотності суміші за рахунок раціонального зернового складу компонентів. Тому в експериментальних дослідженнях зерновий склад компонентів контролювався або цілеспрямовано змінювався.

В попередніх дослідженнях перевірена фізико-хімічна активність використаних наповнювачів. Аналіз основних результатів цих досліджень підтвердив, що мелений кварцовий пісок і хвости збагачення залізних руд мають незначну фізико-хімічну активність, бо при постійному зерновому складі міцність затверділого цементно-піщаного розчину зменшується практично пропорційно кількості введеного такого наповнювача. А зола і ПГПФ значно активніші, бо коефіцієнт ефективності використання цементу в тих же умовах їх використання збільшується при збільшенні їх долі в розчині.

Така закономірність підтверджена експериментальними дослідженнями і на бетонах. При заміні деякої маси цементу в складі бетонної суміші без зміни її зернового складу (а отже і дефектності структури затверділого бетону) його міцність зменшується практично пропорційно зменшенню витрат цементу.

Але міцність бетону зростає при одних і тих же витратах цементу тим більше, чим значніше зерновий склад бетону без наповнювача відрізнявся від раціонального. Це добре підтверджується результатами експериментальних досліджень, наведених в табл. 1. Суттєво зростає при цьому і коефіцієнт ефективності використання цементу. Останній в бетонах з наповнювачем навіть більший, ніж в складах, де раціональний зерновий склад бетону забезпечується в основному витратами цементу.

Таблиця 1. Склади бетонних сумішей і результати випробувань контрольних зразків бетону з використанням наповнювача з меленого кварцового піску в межах від 125 до 375 кг/м³, ПТЦ А 47,0 МПа, добавка ПФС

Аналогічні результати отримані при використанні інших наповнювачів із вторинних продуктів промисловості, зокрема хвостів збагачення залізних руд. Для перевірки раніше сформульованих робочих гіпотез детально вивчалася структура бетонів. В табл. 2 і 3 представлені характерні окремі результати таких досліджень. Ці результати підтверджують, що головною причиною низької ефективності використання цементу в низькоміцних бетонах є значно гірша їх структура, ніж більш міцних, яка обумовлюється нераціональним зерновим складом компонентів використаних складових, зокрема, недостатньою кількістю дрібнозернистого компоненту.

Так, бетон, який отримано із складу бетонної суміші № 11 (див. табл. 2 і 3), має досить низьку міцність і відповідно коефіцієнт ефективності використання цементу. Його структурні характеристики, зокрема, визначені по щільності, швидкості ультразвуку, абсолютному водопоглиненню та по коефіцієнтах кінетики водопоглинення, найгірші. Зразки з цього бетону не витримали навіть декількох циклів заморожування та відтавання. Але бетон, який отримано з бетонних сумішей з такими ж витратами цементу і раціональним зерновим складом компонентів, який забезпечено введенням необхідної кількості наповнювачів, має міцність і коефіцієнт ефективності використання цементу в декілька разів більші. В цих бетонах, особливо при використанні суперпластифікаторів, значно кращі практично всі структурні характеристики, які нами вивчалися. У цих бетонів також значно краща морозостійкість.

Таблиця 2. Характеристики бетонних сумішей з раціональним зерновим складом компонентів

Примітка: вид наповнювача - без індексу мелений пісок; ^* - хвости збагачення залізних руд; ^** - зола-виносу

Дещо менш суттєво відрізняються міцність бетону, коефіцієнт ефективності використання цементу та найважливіші структурні характеристики бетонів, які отримано з сумішей без наповнювачів та з наповнювачами при витратах цементу 250 кг на кубометр. Але ці результати досліджень також підтверджують наші основні робочі гіпотези. В бетонах з такими витратами цементу зерновий склад компонентів значно менше відрізняється від раціонального, ніж в бетонах з витратами цементу 125 кг/м³. Тому в бетонах з такими витратами цементу коефіцієнт ефективності використання цементу підвищується тільки в півтора рази за рахунок забезпечення раціонального зернового складу компонентів бетонної суміші. В таких бетонах також покращуються найважливіші структурні характеристики, а структура відповідно забезпечує підвищену міцність. Але морозостійкість цих бетонів практично не змінюється.

Таким чином, введення до бетонної суміші необхідного для забезпечення раціонального зернового складу компонентів кремнеземистого наповнювача, розміри зерен якого приблизно такі ж, як цементу, найбільш ефективно в бетонах з низькими витратами цементу. Це пояснюється тим, що зерновий склад бетонних сумішей з такими витратами цементу більш суттєво відрізняється від раціонального, ніж сумішей з більшими витратами цементу. Найефективніше в якості наповнювачів використовувати золу виносу, бо вона активніша по відношенню до цементу, ніж хвости збагачення залізних руд.