Самоущільнюючі бетони з карбонатним наповнювачем

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія будівництва та архітектури

УДК 691.32:691.58

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Самоущільнюючі бетони з карбонатним наповнювачем

Поляков Дмитро Михайлович

Одеса - 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічний наук, професо КОВАЛЬ Сергій Володимирович Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри процесів і апаратів в технології будівельних матеріалів.

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор ГОЦ Володимир Іванович Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри технології будівельних конструкцій і виробів; кандидат технічних наук, доцент Синякін Анатолій Геннадійович Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, доцент кафедри фізико-хімічної механіки та технології будівельних матеріалів, конструкцій та виробів.

Захист відбудеться « 26 » жовтня 2010 р. о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 в Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий « 23 » вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01, к.т.н., доцент Карпюк В.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Як показує світовий досвід, сучасне інноваційне будівництво багато в чому пов'язане з використанням т.зв. «самоущільнюючих бетонів» - СУБ (Self-compacting Concrete, SCC), здатних ущільнюватися без вібрації у густоармованих конструкціях, що визначає ряд істотних переваг перед звичайними - економія робочої сили, легкість прокачування бетононасосами та ін. Пріоритетними для таких бетонів стають вимоги до розтікання суміші і щільного заповнення форм, оптимальної в'язкості, високій однорідності, здатності до проходження між елементами арматурного каркаса без блокування крупного заповнювача, а також витиснення повітря під власною масою. Для вітчизняної будівельної науки проблема створення самоущільнюючих бетонів досить нова, окремі проведені дослідження ще не привели до масового використання СУБ на практиці, у тому числі із-за нових тестів оцінки якості сумішей, високої вартості добавок, необхідності використання заповнювачів з раціональною гранулометрією тощо. Одна з головних причин, що утруднює розвиток технології СУБ, є обмеженість бази тонкодисперсних мінеральних компонентів з необхідними характеристиками.

Пошук ефективних наповнювачів з врахуванням регіональних можливостей виробництва і оцінка їх впливу є передумовою для адаптації і розвитку технології самоущільнюючих бетонів. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація підготовлена в рамках регіональної програми науково-технічного і інноваційного розвитку Одеської області на 2007-2010 рр (п. «Ресурсозбереження»), затвердженої Одеською обласною радою.

Мета досліджень - науково-технічне обґрунтування ефективності використання карбонатного наповнювача для виготовлення самоущільнюючого бетону.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- виявити особливості самоущільнюючих бетонів і обґрунтувати можливість використання меленого вапняку в якості наповнювача;

- дослідити комплексний вплив суперпластифікатора і карбонатного наповнювача на реологічні властивості сумішей;

- провести оптимізацію багатокомпонентного складу за параметрами якості самоущільнюючого бетону;

- дослідити вплив наповнювача на однорідність бетону в елементах;

- розробити технологічні рекомендації по виготовленню самоущільнюючих бетонів з використанням карбонатного наповнювача.

Об'єкт досліджень - самоущільнюючий бетон, який містить у якості наповнювача мелений вапняк-черепашник.

Предмет досліджень - кількісні залежності, що описують вплив параметрів складу на показники якості суміші і затверділого бетону.

Методи дослідження. Планування багатофакторних експериментів і статистичне моделювання для пошуку раціональних складів, стандартні методи випробування властивостей бетону, спеціальні методи оцінки якості самоущільнюючих бетонних сумішей, віскозиметрія при дослідженні реологічних властивостей, пластометрія і калориметрія при дослідженні гідратації і структуроутворювання.

Наукова новизна полягає в науковому обґрунтуванні ефективності використання карбонатного наповнювача оптимальної питомої поверхні для отримання самоущільнюючого бетону з необхідними показниками якості і однорідністю в конструкції. Науковими результатами є:

- залежності впливу чинників складу (дисперсності і кількості наповнювача, вмісту суперпластифікатора та ін.) на реологічні параметри самоущільнюючих сумішей;

- багатокритеріальні рецептурні рішення з використанням методу Монте-Карло при пошуку оптимального складу самоущільнюючого бетону;

- виявлені особливості впливу наповнювача на комплекс показників якості самоущільнюючого бетону, у тому числі систематичну і випадкову складові поля неоднорідності властивостей в бетонних елементах.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено склади самоущільнюючого бетону на основі наповнювача у вигляді меленого вапняку і полікарбоксилатного суперпластифікатора.

Розроблено практичні рекомендації з технології виготовлення самоущільнюючих бетонів, які використані (200 м³) ТОВ «Монолітбуд» (м. Одеса), при будівництві багатоповерхових монолітно-каркасних будинків.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- обґрунтуванні ефективності використання карбонатного напо-внювача з оптимальною дисперсністю у складі самоущільнюючого бетону [2-3, 8];

- отриманні нової інформації про вплив карбонатного наповнювача і суперпластифікатора на реологічні властивості цементної матриці самоущільнюючего бетону [3-6];

- розробці (з використанням методу Монте-Карло) оптимальних складів СУБ із заданими показниками технологічної якості [4-8].

Апробація дисертаційної роботи. Результати досліджень представлені на міжнародних конференціях і семінарах: «Структуроутворення і міцність будівельних композиційних матеріалів» (Одеса, 2009), «Структура, властивості та склад бетону» (Київ, 2008), «Комп'ютерне матеріалознавство і прогресивні технології» (Одеса, 2009), «Математичні моделі процесів в будівництві» (Луганськ, 2010), «Сучасні технології бетону» (Київ, 2009).

Публікації. Основні положення дисертації викладені у 8 друкованих працях, 6 з яких у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 151 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається з вступу, 5 розділів і висновків.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, дана загальна характеристика роботи.

У першому розділі досліджено шляхи створення самоущільнюючих бетонів, виявлено перспективні добавки і наповнювачі, розроблена наукова гіпотеза досліджень.

На актуальність тематики самоущільнюючого бетону указує велика кількість міжнародних симпозіумів, що пройшли в останнє десятиліття. Відмічаються переваги таких бетонів, а також особливості створення і адаптації СУБ в технології. Так, проектування складу СУБ є завданням значно складнішим, ніж для звичайних бетонів, методи оцінки якості сумішей побудовані на нових експериментальних тестах, які імітують поведінку суміші в конструкції, тощо (P.C. Aпtcin, T. Serdan, F. de Larrard, M. Urban).

Для виконання умов самоущільнення склад звичайного бетону повинен бути істотно ускладнений за рахунок введення пластифікуючих та інших видів хімічних добавок, мінеральних наповнювачів (з розміром дисперсних частинок <0,125 мм - мікрокремнезем, зола-винесення, мелений кварцовий пісок і ін.), багатофракційних заповнювачів тощо. У випадку СУБ вимоги до міцності не завжди є першорядними, оскільки забезпечуються за рахунок високої водоредукуючої здатності полікарбоксилатних і інших «потужних» суперпластифікаторів бетонної суміші; пріоритетними стають показники діаметру і часу розтікання суміші, нівелювання у густоармованій формі, витіснення повітря під власною масою та сегрегації (H. Okamura, M. Ouchi, P. Domone, J. Szwabowki, В. Фалікман, та ін.).

Істотно підвищується роль дисперсних наповнювачів, які стабілізують та підвищують в'язкість бетонної суміші. За своїми властивостями (водоутримуюча здатність, прояв гідравлічної активності), а також легкості подрібнення, у якості наповнювача бетону типу СУБ, перспективним є мелений (до оптимальної питомої поверхні) вапняк-черепашник, запаси якого у великих об'ємах зосереджено в Південних регіонах України. Основний позитивний досвід його використання накопичений в області заповнювачів для бетону (П. Єременок, В. Дорофєєв, Р. Маілян та ін.). Присутність в бетоні пилоподібних фракцій, вважалось раніше негативним чинником, через високу водопотребу, що обмежувало їх вміст до 5%.

Висловлена робоча гіпотеза про те, що використання пилоподібних фракцій вапняку у виді наповнювача для регулювання реологічними властивостями та підвищення однорідності СУБ може бути ефективним при сполученні з полікарбоксилатним суперпластифікатором, який дозволить нівелювати високе водопоглинання дисперсного матеріалу.

Самоущільнюючі бетонні суміші є складною багатофакторною системою із значно більшим об'ємом взаємодій складових, ніж в звичайних бетонах. Багатокомпонентність і значна кількість критеріїв якості визначають доцільність використання експериментально-статистичного моделювання і багатопараметричної оптимізації (В.Вознесенський, Т.Ляшенко, С.Коваль) для оцінки впливу добавок і пошуку раціональних складів СУБ.

У другому розділі приведені дані про матеріали і вказано на особливості використовуваних методик, розроблена загальна схема досліджень.

Експериментальне обґрунтування рецептурних рішень по створенню СУБ включало реалізацію трьох взаємозв'язаних (за групах факторів та цільових установках оптимізації) етапів аналізу багатокомпонентної модифікованої системи (рис. 1). Реалізація кожного з етапів зажадала використання багатофакторного статистичного моделювання та спеціальних методик комп'ютерної оптимізації. Вплив суперпластифікатора й наповнювача розглядався на всіх етапах дослідження, що дозволяло будувати висновки про їхню ефективність як на рівні дисперсної матриці, так і на рівні макроструктури бетону.

В якості розріджувача бетонної суміші використаний полікарбоксилатний суперпластифікатор «Супер ПК» (що поставляється споживачам в Україні компанією «Будіндустрія», м. Запоріжжя). Карбонатний наповнювач (CaO=52,1%) з насипною щільністю 2,2 г/см³ виготовлений з кускового вапняка - черепашника (Орловське родовище Одеської області) при помелі в кульовому млині до питомої поверхні S_пит=200…400 м²/кг.

Для оцінки можливості отримання бетонів типу СУБ на традиційних матеріалах в експериментах використовувався найбільш вживаний в масовому будівництві цемент ПЦ II/А-Ш-400, пісок з модулем крупності 1,9, щебінь двох фракцій: 5-10 та 5-20 мм. Вплив заповнювачів вивчався в області максимальної щільності суміші цих фракцій. Експериментально показано, що висока пустотність суміші щебенів стандартних фракцій, використовуваних в вітчизняній будіндустрії, потребує значно більшої кількості розчину в порівнянні з раціональними сумішами із фракцій 2-4, 4-8, 8-16 мм, які використовуються в Європі для виготовлення СУБ. Для проектування складів бетонних сумішей розроблена і реалізована програма, що дозволяє за даними характеристик заповнювачів розраховувати кількість

пилоподібних фракцій, які забезпечують ефективний для СУБ коефіцієнт розсунення зерен заповнювача розчином (ц=1,2..1,4).

Реологічні характеристики цементних композицій (гранична напруга зсуву ф₀ та пластична в'язкість з_пл) визначалися на ротаційних візкозіметрах (РВ-8, РПЭ-1М).

Пластична міцність - за допомогою модифікованого пластометра МДУ, конструкція якого дає можливість виміру величини занурення конуса у випробувану суміш при механічному підйомі столика, що автоматично зупиняється при досягненні заданого навантаження Р.

Швидкість і повнота гідратації оцінювалася за параметрами тепловиділення.

Для реєстрації термоефектів використаний багатосекційний напівадіабатичний калориметр Вармінсько-Музурського університету в м. Ольштин, Польща.

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оцінка якості бетонної суміші проводилась за спеціальними методиками, рекомендованими європейською комісією з самоущільнюючого бетону (EFRAKC). Визначалися діаметр D і час T_D розпливу бетонної суміші, час витікання з т.зв. лійки «V-funnel» і показник самовирівнювання при порівнюванні у апараті «L-box» висот (Н₂/Н₁) суміші, після її растікання між арматурними стержнями 14 мм.

Розшарування бетонних сумішей SR оцінювалось як відношення мас щебеню бетонної суміші із верхньої і нижньої частини трубчастої форми після її вібрації тривалістю 30 с (за аналогією з ГОСТ 10181.4-81).

Характеристики затверділих бетонів (міцність, модуль пружності та ін.) визначалися згідно діючих стандартів.

У третьому розділі розглянутий вплив карбонатного наповнювача у комплексі із суперпластифікатором на реологію й структуроутворення дисперсної матриці самоущільнюючих бетонів.

Необхідність вивчення реологічних властивостей цементної пасти було обумовлено безпосереднім зв'язком характеристик цементуючої матриці СУБ з їх технологічною якістю й експлуатаційними властивостями (рис. 2).

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для забезпечення основних технологічних властивостей бетонних сумішей - розтікання та самоущільнення - необхідно досягнення оптимального співвідношення пластичної в'язкості з_пл і граничної наруги зсуву ф₀ - констант які входять до двухпараметричної реологічної моделі Бінгама:

ф = ф₀ + згґ.

Якщо гранична напруга зсуву ф₀ (його граничне значення) занадто високе, то бетонна суміш має низьке «саморозтікання» для чого необхідно зменшити ф₀. Якщо пластична в'язкість занадто низька, то бетонна суміш хоча і має високе саморозтікання, але можливе ії розшарування. Якщо пластична в'язкість з занадто висока, то час розтікання бетонної суміші збільшується, але при цьому знижується здатність до самоущільнення. Регулювання цими параметрами досягається, в основному, за рахунок модифікування дисперсної матриці бетону наповнювачем і суперпластифікатором.

Дослідження ефективності керування реологічними параметрами дисперсної матриці СУБ проведене на моделях типу "суміш, технологія - властивості" (Т. Ляшенко). Моделі описують вплив кількості полікарбоксилатного суперпластифікатора (Х₁=0,50 0,05% від маси цементу) та наповнювача (Х₂=2010 %) при зміні його питомої поверхні; крупної фракції -V₁ (S_кр=200±5 м²/кг), середньої -V₂ (S_ср=300±5 м²/кг) і дрібної -V₃ (S_др=400±5 м²/кг), а також бінарних і потрійних сумішей. При зміні рецептурних рівнів факторів, розплив цементної пасти залишався і постійним (D=180±5мм) за рахунок коректування водовмісту.

Вплив досліджуваних факторів на в'язкість (Па•с) цементних композицій (при мінімальних деформаціях зсуву г'=0,357 с^-1 ) адекватно описується залежністю (1) з помилкою S_э=1,9 Па•с при ризику б=0,05:

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Залежності типу (1) описують як вплив концентрацій СП і наповнювача, так і індивідуальний вплив фракцій наповнювача, взаємодії в їх суміші, міжгрупову взаємодію. На підставі залежностей типу (1) методами комп'ютерної графіки в системі СОМРЕХ побудовані діаграми «Вплив концентрацій модифікаторів (х_і) в залежності від крупності наповнювача (v_i)». Для пошуку оптимальної гранулометрії наповнювача рецептурні квадрати в координатах факторів {х₁,х₂} досліджувалися в полі сумішевого трикутника «дисперсність наповнювача» V₁…V_3.

Уведення СП приводить до зниження поверхневого натягу і появи стеричного бар'єра, що утрудняє зближення часток. У результаті збільшується товщина водних прошарків між частками й зменшується тертя між шарами цементної пасти. Це приводить до зменшення Ван-дер-ваальсових сил, що виражається в падінні в'язкості (рис. 3.а). Підвищення кількості наповнювача дрібної фракції викликає ріст в'язкості в результаті усмоктування води в об'єм пористого зерна, підвищення кількості адсорбціонно зв'язаної і іммобілізованої в агрегатах води.

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Як міра чутливості системи до зміни зернового складу наповнювача досліджено відношення екстремальних значень в'язкості в концентраційному квадраті:

д=з_{пл max} / з_{пл min}. (2)

Судячи по ізолініях моделі параметра (2), показаних на трикутнику «суміші» (рис. 3.а), чутливість системи до управління фракційним скла- дом наповнювача зростає практично в 2 рази з підвищенням його дисперсності.

Порівняння даних показує, що вплив добавок на граничну напругу зсуву ф₀ може не узгоджуватися з їхнім впливом на пластичну в'язкість з. Це вказує на необхідність компромісного керування складом дисперсної матриці для забезпечення технологічних властивостей сумішей СУБ.

При пошуку оптимальної дисперсності наповнювача враховані наявні дані (O. Wallevik) щодо ефективних значень реологічних параметрів СУБ. Досягнення необхідних параметрів в'язкості з_пл?80 Па•с і граничної напруги зсуву ф₀? 16 Па забезпечується, наприклад, у випадку багатофракційного наповнювача, що складається з 14 % крупної (S_пит=200 м²/кг) +23% середньої (S_пит =300 м²/кг) + 63% дрібної (S_пит =400 м²/кг) фракцій при вмісту наповнювача 30% і суперпластифікатора 0,45% (рис. 3.б). В цілому, для забезпечення реологічних параметрів СУБ, найбільш ефективним є наповнювач з питомою поверхнею, близькою, чи більшою поверхні цементу (300…400 м²/кг).

Отже, правдоподібна нетривіальна гіпотеза про можливість поліпшення реологічних характеристик сумішей СУБ за рахунок зміни гранулометричного складу дисперсних зерен.

Величина граничної напруги зсуву концентрованих суспензій обумовлюється сукупністю сил зчеплення часток у місцях їх контакту, міцністю Р індивідуальних контактів і їх числом б на одиницю поверхні (Н. Урьєв). У цьому наближенні ф₀ = Р^.б, де величина б визначається розміром часток і щільністю їх упаковки. Щоб викликати плин суміші необхідно прикласти додаткову силу, відповідну до граничної напруги зсуву.

На основі експериментально отриманих значень граничної напруги зсуву ф₀, розрахунків середнього розміру часток і теоретичної товщини прошарку рідкої фази визначені значення енергії U_K «зчеплення» коагуляційних контактів. Аналіз багатофакторної U_K моделі, аналогічної за структурою (1), показує, що з підвищенням кількості наповнювача зріст енергії контактів залежить від концентрації суперпластифікатора. При малих концентраціях суперпластифікатора (0,45%), зі збільшенням питомої поверхні наповнювача від 300 до 400 м²/кг сила взаємодій часток зростає більш ніж в 8 раз (рис. 3.в), що обумовлює структурований характер суспензії. Однак з збільшенням кількості СП від 0,45 до 0,55% енергія контактів слабшає в 4…7 разів.

У порівнянні з "чистим" портландцементом, уведення наповнювача в 20 %-ному дозуванні знижує термокінетичні показники гідратації на 5…15 %. В той же час, аналіз залежностей швидкості dQ/dф=f(ф) і сумарного тепловиділення Q=f(ф) за 24 години вказує на позитивний вплив оптимальної гранулометрії наповнювача з позицій кінетики початкових стадій гідратації цементу, що може бути пов'язане зі зміною умов фізико-хімічних процесів під впливом міжчасткових взаємодій (В.М.Вировий). Оптимальним з позицій швидкості гідратації цементу може бути визнаний бінарний наповнювач із підвищеною кількістю середніх (75…85 %) та 15…25 %- ним вмістом дрібних фракцій.

З метою оцінки впливу добавок на різних етапах структуроутворення аналізувалися криві пластичної міцності P_m=f(ф). Зміна пластичної міцності у часі досліджуваних складів апроксимується поліномами 4 ступеня з коефіцієнтом детермінації R²=0,98…0,99. Введення суперпластифікатора в більшості ситуацій приводить до істотного зменшення структурної міцності цементних композицій. В той же час цей ефект посилюється з підвищенням кількості питомої поверхні карбонатного наповнювача, оскільки водозміст суміші збільшувався. Тому з позицій зросту пластичної міцності, раціональними можуть вважатися суміші із великих і середніх фракцій.

Випробування зразків цементного каменю з постійним В/Ц, показали, що питома поверхня наповнювача впливає й на міцність цементного каменю на стиск. Роль дисперсності змінюється залежно від строків твердіння (рис. 4. а-в).

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так, на 3 добу твердіння (рис. 4.а) оптимальним може вважатися карбонатний наповнювач, що представляє собою суміш великих і дрібних зерен, узятих приблизно в однаковій кількості. Підвищення крупності зерен приводить до зменшення міцності цементного каменю для всіх термінів випробувань. В більш пізні строки максимальна міцність зв'язується із присутністю в цементній системі суміші усіх трьох фракцій (рис. 4.в), що імовірно, свідчить не тільки про прояв ефекту щільного упакування, але і взаємодію карбонату з продуктами гідратації портландцементного клінкеру.

Фракційний склад наповнювача суттєво впливає на реологічні властивості сумішей і структуроутворення, багато в чому визначає ефективність концентрацій суперпластифікатора і самого наповнювача, що приводить і до зміни рецептурно-технологічних рішень при проектуванні СУБ.

У четвертому розділі досліджено вплив основних параметрів складу і проведено пошук умов отримання самоущільнюючих бетонів.

Прояв самоущільнюючих властивостей суміші залежить від реологічних властивостей матриці, а також вмісту і характеристик заповнювачів. Оптимізація складу враховує, з позицій самоущільнення, вплив структурно реологічних параметрів мінеральної матриці і зернистого «каркаса» заповнювача, а також їх взаємодію.

У групі факторів управління властивостями дисперсної матриці, аналізувався вплив кількості поликарбоксилатного суперпластифікатора (СП=X₁=0,50±0,05 % від маси цементу), вміст наповнювача (Н=X₂=20±10%) питомою поверхнею S_пит= 250 м²/кг і водоцементного відношення (В/Ц=X₃=0,40±0,02). Моделювання властивостей «каркасу» пов'язане зі зміною частки піску в суміші заповнювача (r=X₄ =0,50±0,05%) і вмістом щебеню дрібної фракції 5-10 мм у великій 5-20 мм (Щ_д=X₅=60±20%). Витрата цементу ПЦ II/ А-Ш-400 постійна Ц=450 кг/м³.

Експерименти для будови моделей поставлені по D - оптимальному плану, що містить 27 точок. Рівні варіювання факторів установлені при первинній оцінці розпливу конуса суміші D у найбільш "жорстких" точках плану (мало добавки, багато наповнювача, і навпаки - багато добавки й наповнювача, мале або велике В/Ц и т.п.). У ході комп'ютерного аналізу моделей поле властивостей "матриці" у координатах факторів СП, Н і В/Ц переміщується по локальному полю, сформованому параметрами зернистого "каркаса" заповнювача. З позицій структури, у цьому випадку, змінюються умови модифікації матриці, обсяг міжзернового простору, крупність зерен і т.п.

Застосування карбонатного наповнювача забезпечило підвищення вмісту дисперсної матриці, що привело до заповнення порожнеч у розчинній суміші між зернами заповнювача при створенні оптимального прошарку для додання бетонної суміші текучого стану при зниженні тенденції до сегрегації.

Введення суперпластифікатора, як і підвищення В/Ц, приводить до збільшення розпливу конуса суміші, а ріст кількості дисперсної мінеральної добавки і піску - до його зниження при подовженні часу розпливу. Хоча з підвищенням дозування суперпластифікатора розтікання бетонної суміші і збільшується, однак це збільшення не супроводжується адекватним зниженням часу, що пов'язане з підвищенням адгезії бетонної суміші до поверхні форми.

Підвищення дозування суперпластифікатора викликає ріст показника сегрегації з 4% до 12%, що може бути компенсоване веденням дисперсного наповнювача й підвищенням вмісту дрібного щебеню (рис. 5). У випадку зменшення кількості дрібної фракції щебеню Щ_м < 60%, суттєво зростає розшарування суміші; у той же час додавання піску понад 50 % приводить до різкого підвищення повітрявтягування.

Наповнювач, залежно від рівнів факторів складу, може як підвищити, так і понизити повітрявтягування. При цьому істотне значення має вміст піску в суміші заповнювачів.

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив наповнювача на міцність бетону в віці 28 діб R₂₈ неоднозначний: в області ефективної рецептури бетону (при якій досягається максимум R), спостерігається ріст міцності зі збільшення дозування вапняку, в області рецептури (мінімуму R) це може привести до зниження міцності.

Різноспрямований вплив параметрів складу свідчить про необхідність пошуку компромісних технологічних рішень при одержанні самоущільнюючих бетонів. Пошук складів бетонів за параметрами СУБ проведений у два етапи. На першому етапі знайдено склад з показниками, близькими до показників самоущільнюючих бетонів без використання спеціального обладнання: розплив суміші діаметром D ? 70 см і час Т₅₀? 4 с його досягнення, при розшаруванні сумішей не більш як SR ? 5 %, об'ємі залученого повітря V_вв ? 7,5%, а також заданої виробником бетону міцності (R₃ ? 10 МПа, R₂₈ ? 35 МПа) в віці 3 и 28 доби.

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Скорочення числа варіантів у процесі пошуку компромісного складу СУБ

Для пошуку багатокомпонентного складу реалізований спосіб, заснований на багатофакторному статистичному моделюванні й випадковому скануванні полів властивостей з використанням методу Монте-Карло (В. Вознесенський, Т. Ляшенко).

По отриманих моделях властивостей бетонної суміші й бетону генерувалося 10000 випадкових складів.

В процесі поетапної ітерації були виключені значення менше нормованих Y_i<Y_inorm до виділення з повної вибірки таких складів, які задовольняють заданим критеріям якості (рис. 6). Виділено досить вузький діапазон складів з заданими властивостями: цемент ПЦ II/А-Ш-400 - 450 кг/м³; вода -182…183 дм³/м³, пісок -398…460 кг/м³, щебінь фр.5-10 - 428…486 кг/м³, суперпластифікатор - 5,9…6,0 дм³/м³, наповнювач 133…135 кг/м³. Показники якості: час розпливу до 500 мм (Т₅₀)=4,3..4,5 с; показник сегрегації SR=3,8…3,9%, міцність на 3 добу R₃ =13,0…14,0 МПа, міцність в 28 діб R₂₈=43…44 МПа. Технологічні тести на апаратах L-box і V-funnel указали на приналежність трьох із п'яти складів до СУБ.

На наступному етапі в області оптимізованих складів, при варіюванні концентраціями суперпластифікатора й наповнювача, експерименти проведено на сумішах з практично однаковим (за рахунок коректування кількості води) розпливом конуса D=73±2 см (клас за розтіканням SF2 згідно класифікації EFRAKC).

Час розтікання суміші Т₅₀ зменшується з підвищенням концентрації суперпластифікатора (рис. 7.а). Оптимальне співвідношення суперпластифікатора 0,50% і наповнювача 20% дає можливість двохкратного скорочення часу розпливу Т₅₀, у порівнянні із кожним модифікатором окремо. Аналіз залежності часу витікання суміші (V-funnel -тест) і показника самонівелювання (L-box-тест) уточнює оптимальний вміст наповнювача (Н=18…22%) й суперпластифікатора (СП=0,48…0,50 %) у складі бетонної суміші (рис. 7.б,в).

За рахунок оптимального введення наповнювача зменшується час розпливу, досягаються найкращі умови для самовирівнювання суміші при зниженні в'язкості, підвищується міцність бетону (рис. 8).

У п'ятому розділі досліджений вплив наповнювача на однорідність властивостей бетону у конструкційних елементах, а також приведена інформація щодо впровадження результатів роботи.

Одним з найбільш важливих питань якості самоущільнюючих бетонів є їхня однорідність в конструкціях, особливо у вертикально формованих - колони, стійки, палі и др., де бетонна суміш в більшому ступеню піддана розшаруванню и седиментації. Формування структурних неоднородностей визиває у бетоні значні внутрішні напруження, які розвиваються в міру його твердіння; бетон стає тією чи іншою мірою внутрішньо напруженим матеріалом. Для будівельних конструкцій досить небезпечна є нерівномірність грубозернистої структури бетону. Під навантаженням це приводить до створення нерівномірного поля напруг у бетоні і підвищенню ймовірності руйнування конструкцій.

На етапі оцінки впливу наповнювача на однорідність бетону формувалися у вертикальному положенні стовпчасті зразки висотою 1000 мм і діаметром 100 мм. Після затвердіння бетону вони розділялися на 6 фрагментів. По фрагментах визначалася щільність і міцність бетону, а також неоднорідність розподілу S_зап крупного заповнювача по висоті елемента (для розпізнавання грубозернистої структури розроблена разом з к.т.н. Є. Мартиновим спеціальна комп'ютерна програма).

Підвищення кількості дисперсного наповнювача у бетонних сумішах сприяє рівномірності розподілу крупного заповнювача, про що, зокрема, свідчить зменшення відмінності між максимальним S_max і мінімальним S_min вмістом щебенів у перетинах по висоті стовпчастого елемента (рис. 9.а), що розраховано по відношенню S_min/S_max



13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Найнебезпечнішим є рівень і напрямок градієнта; вони відбивають різку зміну структури бетону на локальній ділянці елемента. Чим ближче відношення ч=S_min/S_max до одиниці, тим макроструктурна неоднорідність бетону менше. Позитивний вплив карбонатного наповнювача на рівномірність розподілу крупного заповнювача зростає з підвищенням кількості добавки суперпластифікатора (рис. 9.б). Позитивний вплив карбонатного наповнювача проявляється й у підвищенні однорідності щільності й міцності СУБ по висоті елемента.

Поле неоднорідності бетону формується під дією випадкової й систематичної складових. Для їхнього виділення використовувалася спеціальна методика (В. Вознесенський), заснована на описі гістограм лінійною моделлю Y=а₀+а₁h, що має залишкове стандартне відхилення S_зал. Перша виділяється, якщо прийняти епюру лінійної, де а₀ - середнє значення властивості, а величина а₁ - усереднений градієнт, що проходить під кутом до осі стовпа. Випадкова складова визначається при розрахунках залишкового середньоквадратичного відхилення, що характеризує неадекватність опису даних по висоті елемента прямою.

Моделювання впливу модифікаторів на числові параметри полів неоднорідності властивостей дозволило знайти шляхи мінімізації систематичної (гравітаційної) складової, і випадкової складової поля, виникаючої через коливання в складах і властивостях компонентів бетону, точності дозування й т.п. Для оцінки неоднорідності і її зменшення за допомогою рецептурних факторів використані відносні величини:

{a}=a₁/a₀-відносний показник нахилу епюри поля властивості;

V{a}=S_ост/а₀-коефіцієнт варіації міцності уздовж висоти стовпа.

Аналіз моделей систематичної й випадкової складових поля міцності проведений на двохфакторних діаграмах (рис. 10. а,б).

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Систематична неоднорідність {a} може бути зменшена більш ніж в 2 рази за рахунок підвищення вмісту наповнювача від 10 до 28%, при цьому вона мало залежить від дозування суперпластифікатора (рис. 10а). Вплив випадкових факторів, судячи з умов зменшення V{a}, може бути мінімізований за рахунок уведення наповнювача в кількості 28% і дозування СП=0,55% (рис. 10.б). З урахуванням вимог до міцності бетону R₂₈?35 МПа визначені оптимальні дозування наповнювача (Н=28..30%) та суперпластифікатора (СП=0,55%), при яких забезпечується висока однорідність бетону в конструкціях.

Заключна частина розділу присвячена реалізації отриманих результатів. На підставі досліджень розроблені рекомендації по виготовленню бетонів з карбонатним наповнювачем и суперпластифікатором "Супер ПК", в яких викладені основні вимоги до бетонних сумішей і бетонах на їх основі, особливості підбору складів литих сумішей та контролю якості.

Оптимізовані склади впроваджені ТОВ «Монолітбуд» (м. Одеса) при виготовленні густоармованих конструкцій - колон, плит перекриттів, діафрагм (120 м³), а також наливних підлог на двох споруджуваних багатоповерхових будинках в м.Одесі.

Запропоновані заходи дозволили знизити трудомісткість бетонування й поліпшити якість поверхні конструкцій, підвищити ефективність використання бетононасосів, збільшити схоронність бетонної суміші при транспортуванні бетоновозами в літній період, прискорити виробництво бетонних робіт, що в комплексі підвищило ефективність будівництва, незважаючи на збільшення собівартості бетону (на 20…30 грн/м³), у порівнянні з застосованим раніше. Згідно інформації компанії ТОВ «Будіндустрія» (м. Запоріжжя) проведені дослідження розширюють область використання добавки «Супер ПК» та сприяють підвищенню комерційної зацікавленості в ній споживачів при виробництві самоущільнюючих бетонів.

Висновки

1. Експериментально обґрунтована ефективність використання дисперсного наповнювача у вигляді меленого вапняка - черепашника для одержання самоущільнюючого бетона з необхідними показниками розтікання, повітрявтягування та однорідності бетонної суміші із заданою міцністю затверділого бетону в конструкційних елементах.

2. Виявлено особливості впливу карбонатного наповнювача (його вмісту й питомої поверхні в діапазоні 200…400 м²/кг) у комбінації із су-перпластифікатором полікарбоксилатного типу на параметри реологічних властивостей (пластична в'язкість, гранична напруга зсуву) дисперсної матриці бетону. На доцільність компромісного управління реологією бетонів СУБ за допомогою рецептурних факторів указує неузгоджена зміна граничної напруги зсуву й пластичної в'язкості.

3. Проведені реологічні дослідження вказали на можливість поліпшення характеристик самоущільнюючого бетону за рахунок вибору оптимального гранулометричного складу дисперсного наповнювача. Показано, що для забезпечення реологічних параметрів, найбільш ефективним є карбонатний наповнювач з питомою поверхнею близькою, чи більшою поверхні цементу (400 м²/кг). Показаний позитивний вплив оптимального фракційного складу карбонатного наповнювача на гідратацію й структуроутворення цементної матриці СУБ (за даними калориметрії й пластометрії), а також міцності цементного каменю.

4. З використанням спеціальних технологічних тестів, статистичного моделювання й багатопараметричної оптимізації на підставі методу Монте-Карло показана можливість одержанні самоущільнюючих бетонних сумішей при оптимальному управлінні параметрами дисперсної матриці (вміст наповнювача, суперпластифікатора, В/Ц) і каркаса заповнювача (вміст піску в суміші заповнювачів, дрібної фракцій щебеню у крупній); на цій основі розроблені склади наповнювача що відповідають вимогам СУБ.

5. При дослідженні розподілу властивостей затверділого бетону у вертикально формованих елементах установлена позитивна роль дисперсного наповнювача в зменшенні систематичної й випадкової складових полів неоднорідності міцності і щільності бетону, а також його структурної неоднорідності за рахунок більш рівномірного розподілу крупного заповнювача по висоті бетонних елементів. Розроблені склади бетону з вмістом 20-28% меленого вапняку, які задовольняють вимогам СУБ, при підвищених показниках однорідності в конструкціях.

6. Розроблені практичні рекомендації по виготовленню самоущільнюючих бетонів з використанням карбонатного наповнювача; склади із заданими параметрами зручноукладальності, однорідності, повітряутягування і міцності (35…45 МПа) реалізовані в монолітно-каркасному будівництві.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Поляков Д.М. Анализ возможности использования молотого известняка известняка-ракушенчника для получения самоуплотняющегося бетона / Д.М. Поляков // Вісник ОДАБА, 2009. -№35. - С. 275-281.

2. Коваль С.В. Проектирование самоуплотняющихся бетонов / С.В.Коваль, Д.М. Поляков, М. Ситарски, М. Циак // Вісник ОДАБА. - Одеса: ОДАБА.

3. Коваль С.В. Пути создания самоуплотняющихся бетонов / С.В.Коваль, Д.М. Поляков, М. Ситарски, М. Циак // Будiвельнi конструкцiї: Мiжвiд. наук-техн. зб. -К.: НДIБК, 2009.- Вип. №72. - С. 232-238.

4. Поляков Д.М. Компромиссная оптимизация методом Монте-Карло составов самоуплотняющихся бетонов с карбонатным наполнителем / Д.М. Поляков, С.В.Коваль // Вісник ПДАБА. -Дніпропетровськ: ПДАБА, 2010.

5. Поляков Д.М. Самоуплотняющийся бетон с использованием карбонатного наполнителя / Д.М. Поляков, С.В. Коваль // Вicник ДонДАБА (Композицийні матеріали для будівництва). - Макіївка: ДонДАБА, 2009. - Вип. 5(61).

6. Поляков Д.М. Моделирование влияния наполнителя на реологические параметры матрицы самоуплотняющегося бетона / Д.М. Поляков, С.В. Коваль // Науковий вісник ЛНАУ. - Луганськ: ЛНАУ, 2010. -№14 C. 181-187.

7. Коваль С.В. Анализ влияния молотого известняка-ракушечника как наполнителя бетонной смеси / С.В. Коваль, Д.М. Поляков, С.В. Савченко, Є.П. Гофман // Бетони і розчини з використанням ефективних добавок та відходів промисловості: Мат-ли наук-техн. семінару «Структура, властивості та склад бетону» К: ТОВ «ПОЛІПРОМ», 2008. - С. 185-190.

8. Коваль С.В. Некоторые предпосылки поиска составов самоуплотняющихся бетонов / С.В.Коваль, Д.М. Поляков, М. Ситарски // Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии: Мат-лы 47 межд. сем. - Одесса: Астропринт, 2008. - С. 143-144.

Анотації

Поляков Д.М. Самоущільнюючі бетони з карбонатним наповнювачем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2010 р.

Дисертація присвячена розробці складів самоущільнюючих бетонів з використанням в якості наповнювача меленого вапняка-черепашника.

Виявлено особливості впливу карбонатного наповнювача (його вмісту й питомої поверхні у діапазоні 200…400 м²/кг) у комбінації з суперпластифікатором полікарбоксилатного типу на параметри реологічних властивостей (пластична в'язкість, гранична напруга зсуву) й структуроутворення дисперсної матриці самоущільнюючих бетонних сумішей. самоущільнюючий бетон карбонатний наповнювач

З використанням спеціальних технологічних тестів, статистичного моделювання й багатопараметричної оптимізації показано можливості одержання самоущільнюючих бетонних сумішей при оптимальному управлінні параметрами складу дисперсної матриці (вміст наповнювача, суперпластифікатора, В/Ц) і каркаса заповнювача (вміст піску, дрібної фракцій щебенів у крупної); на цій основі розроблені склади зі вмістом наповнювача 20…28%, що відповідають вимогам СУБ.

При дослідженні розподілу властивостей затверділого бетону у вертикально формованих елементах установлена позитивна роль дисперсного наповнювача в зменшенні систематичної й випадкової складових полів неоднорідності міцності й щільності бетону, а також його структурної неоднорідності за рахунок більш рівномірного розподілу великого заповнювача по висоті бетонних елементів.

Розроблені практичні рекомендації з виготовлення самоущільнюючих бетонів з використанням карбонатного наповнювача; склади із даними параметрами зручноукладальності, однорідності, повітряутягування й міцності (35…45 МПа) реалізовані при зведенні залізобетонних монолітних конструкцій будинків.

Ключові слова: самоущільнюючий бетон, карбонатний наповнювач, суперпластифікатор, реологічні властивості, експериментально-статис-тичне моделювання, оптимізація складу, однорідність властивостей в елементах.

Поляков Д.М. Самоуплотняющиеся бетоны с карбонатным наполнителем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2010 г.

Диссертация посвящена разработке составов самоуплотняющихся бетонов с использованием в качестве наполнителя молотого известняка-ракушечника.

Выдвинута гипотеза о том, что использование пылевидных фракций известняка в виде наполнителя для регулирования реологическими свойствами и однородностью самоуплотняющихся бетонов может быть эффективным при совмещении с поликарбоксилатным суперпластификатором, который позволит нивелировать высокое водопоглощение дисперсного материала. Полученные в работе результаты базируются на методах многофакторного статистического моделирования и многопараметрической оптимизации.

Выявлены особенности влияния карбонатного наполнителя (его количества и удельной поверхности в диапазоне 200…400 м²/кг) в сочетании с суперпластификатором поликарбоксилатного типа на параметры реологических свойств (пластическая вязкость, предельное напряжение сдвига) и структурообразования дисперсной матрицы самоуплотняющихся бетонных смесей. Показано, что для обеспечения реологических параметров наиболее эффективным является наполнитель с удельной поверхностью близкой, или большей поверхности цемента. На целесообразность компромиссного управления реологией бетонов СУБ с помощью рецептурных факторов указывает несогласованность изменения предельного напряжения сдвига и пластической вязкости.

Показано положительное влияние оптимального фракционного состава карбонатного наполнителя на гидратацию и структурообразование цементной матрицы СУБ (по данным калориметрии и пластометрии), а также прочности цементного камня.

Поиск состава СУБ учитывает, с позиций самоуплотнения, влияние структурно-реологических параметров минеральной матрицы и «каркаса» заполнителей, а также их взаимодействие. В группе факторов управления свойствами «матрицы» анализировалось влияние количества поликарбоксилатного суперпластификатора, содержания наполнителя и В/Ц - отношения. Моделирование свойств «каркаса» связано с изменением доли песка в смеси заполнителя и содержанием мелкой фракции щебня 5-10 мм в крупной 5-20 мм.

Для поиска многокомпонентного состава реализована компьютерная технология, основанная на многофакторном статистическом моделировании и случайном сканировании полей свойств с использованием метода Монте-Карло. В процессе поэтапной итерации множества генерированных случайных составов исключаются составы со значениями свойств меньше нормированных до выделения из полной выборки таких составов, которые удовлетворяют заданным критериям качества СУБ. Проведенные исследования развивают методологию проектирования составов многокомпонентных модифицированных строительных материалов типа СУБ.

При исследовании распределения свойств затвердевшего бетона в вертикально формуемых элементах установлена позитивная роль дисперсного наполнителя в уменьшении систематической и случайной составляющих полей неоднородности прочности и плотности бетона, а также его структурной неоднородности за счет более равномерного распределения крупного заполнителя по высоте бетонных элементов. Разработаны составы бетона, с содержимым 20...28% молотого известняка, которые удовлетворяют требованиям СУБ, при повышенных показателях однородности в конструкциях.

Разработаны рекомендации по технологии изготовления бетонов на основе поликарбоксилатного суперпластификатора и наполнителя - молотого известняка-ракушечника (для ООО «Монолитстрой», г. Одесса), а также составы смесей СУБ, которые использованы при строительстве многоэтажных монолитно-каркасных зданий.

Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, карбонатный наполнитель, суперпластификатор, реологические свойства, экспериментально-статистическое моделирование, оптимизация состава, однородность свойств в элементах.

Polyakov D.M. Self-compacting concrete with carbonate filling material. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.23.05- building materials and products. The Odessa state academy of building and architecture, Odessa, 2010.

The dissertation is devoted to development of structures of self-compa-cting concrete with use as a filling material of ground limestone-shell rock.

Features of influence carbonate a filling material (its quantity and a specific surface in a range 200 … 400 m²/kg) in a combination to a superplasticizer of policarbocsilate type on parameters of rheological properties (a plastic viscosity, yield value) and structurizations of a disperse negative mould of self-compacting concrete mixes are revealed.

With use of special technological tests, statistical modeling and multipleparameter optimization opportunities reception of self-compacting concrete mixes are shown at optimum control in parameters of a disperse matrix (the contents of a filling material, a superplasticizer, W/C) and a frame of a filler (contents of sand, fine fractions of a broken stone in large); on this basis structures with the contents of a filling material 20 … 28 % which are meeting the requirements to SCC are developed.

At research of distribution of properties of a hardened concrete in vertically mouldable elements the positive role of a disperse filling material in reduction of regular and casual making fields of heterogeneity of durability and density of concrete, and also its structural heterogeneity due to more uniform distribution of a coarse aggregate on height of concrete elements is established.

Practical recommendations on preparation of self-compacting concrete with use a carbonate filling material are developed; structures with the set parameters of workability, uniformity, air entrainment and durability (35 … 45 МPа) are realized at erection of reinforced-concrete monolithic constructions of buildings.

Keywords: self-compacting concrete, a carbonate filling material, superplasticizer, rheological properties, experimentally-statistical modeling, optimization of structure, uniformity of properties in elements.

Размещено на Allbest.ru

...