Размещено на http://www.allbest.ru

ГАЖК «УЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙУЛЛАРИ»

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра «Строительство зданий и промышленных сооружений»

На правах рукописи

УДК 691.115:674.816.2

Бегматов Сухроб Хасанович

ФИБРОБЕТОН С БАЗАЛЬТОВЫМ ДИСПЕРСНО-ВОЛОКНИСТЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

Специальность: 5А580204 - «Проектирование строительных конструкций»

ДИССЕРТАЦИЯ

представлена на соискание степени магистра

Диссертация рассмотрена и

рекомендована к защите

зав. кафедрой «СЗиПС»

доц. Щипачева Е.В.

Научный руководитель

доц. Махаматалиев Э.М.

Ташкент - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса использования фибробетонов в строительстве

1.1 Использование минеральных наполнителей - эффективный путь в развитии технологии цементных бетонов

1.2 Современное состояние развития технологии фибробетонов

1.3 Цель и задачи исследований

Глава 2. Характеристика исходных материалов и выбор методов исследований

2.1 Характеристика исходных материалов

2.2 Методы исследований, приборы и оборудование

Глава 3. Исследование свойств цементного вяжущего с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем

3.1 Исследование химического взаимодействия базальтового наполнителя с продуктами гидратации цемента

3.2 Исследование влияния базальтового наполнителя на прочностные свойства цементного камня (базальтофиброцемента)

Выводы по главе 3

Глава 4. Исследование свойств бетонной смеси и бетона с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем

4.1 Исследование свойств бетонной смеси с базальтовым наполнителем

4.2 Исследование свойств бетона с базальтовым наполнителем

4.3 Оптимизация состава бетона с базальтовым наполнителем

Выводы по главе 4

Глава 5. Технология получения фибробетона с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем

5.1 Технология получения фибробетона с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем

5.2 Рекомендации по производству фибробетона с базальтовым наполнителем

Выводы по главе 5

Общие выводы по диссертации

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Бетон в современном строительстве является самым популярным материалом. С использованием бетона архитекторы и строители возводят необыкновенные по форме, красоте и прочности здания и сооружения, осваивают все новые и новые области строительства. По данным специалистов, ежегодное производство бетона во всем мире достигает 2 млрд. куб.м., что намного превышает выпуск других видов промышленной продукции и строительных материалов [6].

В Республике Узбекистан, где за годы независимости объемы инвестиций направленные в капитальное строительство возросли в несколько раз, потребность в производстве монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций остается на стабильно высоком уровне. При этом для дальнейшего повышения эффективности капитальных вложений в строительную отрасль необходимо решить вопрос снижения стоимости строительства. Решение проблемы снижения стоимости строительства при обеспечении нормативного уровня качества продукции в нашей стране в основном связана с разработкой и применением эффективных строительных материалов на основе местного сырья. В этом отношении бетон является одним из наиболее перспективных видов строительных материалов, как в следствие неограниченных возможностей использования местных строительных материалов, так и по возможности придания конструкциям на его основе практически любых архитектурных форм.

В настоящее время в технически развитых странах мира все большее внимание уделяется развитию технологии фибробетона, особенно стеклофибробетона, изучению и улучшению его физико-технических и деформативных характеристик. Однако, недостаточная изученность стойкости волокон в цементной матрице бетона ограничивает области и объёмы применения фибробетона в строительстве.

Одним из перспективных направлений в исследовании технологии фибробетона является обоснование эффективности использования в качестве дисперсной арматуры базальтового волокна. Как известно, базальтовое волокно отличается не только своими высокими физико-механическими свойствами, но и повышенной химической стойкостью, температура - света и атмосферостойкостью, и что также немаловажно, простотой технологии производства и невысокой стоимостью.

В Узбекистане использованию фибробетона в строительстве пока не уделяется достаточного внимания, из-за не достаточной изученности его свойств и технологии получения, отсутствием сведений о наличии сырьевой базы волокнистых наполнителей и недостаточной обоснованности эффективных областей его использования. Учитывая то, что в Узбекистане (в городе Навои) освоено производство базальтового волокна, а также то, что строительная отрасль Узбекистан нуждается в новых современных эффективных конструкционных строительных материалах, нами было принято решение в качестве темы магистерской диссертации выбрать нижеследующую тему: «Фибробетон с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем». фибробетон базальтовый дисперсный волокнистый

Настоящая магистерская диссертация направлена на обоснование возможности использования местного базальтового волокна (производство освоено в г.Навои) в качестве дисперсно-волокнистого наполнителя для производства базальтофибробетона, исследование его строительно-технических свойств и уточнение областей эффективного его использования в строительной отрасли.

Поэтому перед настоящей научно-исследовательской работой былапоставлена задача проведения комплекса экспериментально-теоретического исследований по изучению свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с использованием в качестве дисперсно-волокнистого наполнителя Навоийского базальтового волокна, уточнению механизма и роли влияния этого наполнителя на свойства цементных систем, оптимизации составов базальтофибробетона и определению рациональных областей его применения строительной отрасли с целью достижения максимальной эффективности от инновационной идеи.

Целью настоящей диссертационной работы является проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований по обоснованию возможности использования местного базальтового волокна (производство освоено в городе Навои) в качестве дисперсно-волокнистого наполнителя для получения базальтофибробетона, изучению свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с использованием базальтового дисперсно-волокнистого наполнителя, оптимизации состава базальтофибробетона, а также уточнению рациональных областей применения разработанного базальтофибробетона в строительной отрасли Узбекистана.

В частности, предстоит решить следующие задачи:

1. Определение свойств Навоийского базальтового волокна как дисперсно-волокнистого наполнителя для базальтофибробетона.

2. Выбор методикиэкспериментальных исследований свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с применением базальтового дисперсно-волокнистого наполнителя.

3. Выполнение экспериментальных исследований по определению основных свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем.

4. Подбор оптимального состава базальтофибробетона с использованием метода математического планирования экспериментов.

5. Разработка рекомендаций по освоению технологии базальтофибробетона на основе местного базальтового волокна .

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основании проведенного комплекса экспериментально-теоретических исследований цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона установлены закономерности влияния дисперсно-волокнистого наполнителя Навоийского базальтового волокна на свойства цементных материалов.

2. На основании разработанных математических моделей выявлены зависимости изменения прочностных свойств базальтофибробетона от рецептурно - технологических параметров.

3. Подобран оптимальный состав базальтофибробетона с использованием Навоийского базальтового волокна.

Практическое значение проведенных исследований заключается в том, что в результате обобщения экспериментальных и теоретических исследований разработаны практические предложения и рекомендации по получению базальтофибробетона на основе местного дисперсно-волокнистого наполнителя- Навоийского базальтового волокна.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывались:

- на научно-технических конференциях ТашИИТа(2011-2012гг.);

- на заседаниях кафедры "Строительство зданий и промышленных сооружений" ТашИИТа(2011-2012гг.);

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы из наименований, из которых - зарубежная литература, работа изложена на страницах, она содержит таблицы и рисунков.

Работа выполнена в 2011-2012 гг. на кафедре " Строительство зданий и промышленных сооружений" ТашИИТа.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФИБРОБЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1.1 Использование минеральных наполнителей - эффективный путь в развитии технологии цементных бетонов

Современное строительство неразрывно связано с задачами повышения эффективности строительного производства, снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, применения новых прогрессивных материалов [3]. Рубеж XXI века в строительной отрасли проявился значительными достижениями [4].

Мировые тенденции строительства зданий с повышенной этажностью и других высоконагруженных сооружений, таких как большепролетные мосты, морские нефтяные платформы и др., связаны с применением бетонов с ранее недосягаемым комплексом свойств, включающих: высокую прочность (класс В80 и выше), трещиностойкость и долговечность, с большой подвижностью исходной бетонной смеси [8].

Таким образом, по мнению ряда учёных-исследователей получение сверхвысокопрочных бетонов возможно при условии отказа от крупного заполнителя, имеющего максимальную прочность на сжатие 120-130МПа и обладающего при этом высокодефектной структурой [12].

На данный момент сверхвысокопрочные бетоны по фракционному составу заполнителей можно разделить на два вида [14]: мелкозернистые бетоны с максимальной крупностью зерна 5-1,5мм и тонкозернистые бетоны с размером зерна менее 1,5мм. Однако мало сведений о фракционном составе рекомендуемых заполнителей. В основном речь идет о применении различных видов суперпластификаторов и их влиянии на технологические свойства смесей. Для повышения прочности на растяжение, трещиностойкости, ударной прочности рекомендуется фибра: стальная, стеклянная и полимерная.

Мировая практика строительства выявила фибробетон как один из перспективных строительных материалов XXI века. Опыт таких развитых стран, как США, Великобритания, Япония, Германия, Италия, Франция и Австралия [3], убедительно показал технико-экономическую эффективность применения фибробетона в строительных конструкциях и сооружениях. Возрос объем научно-технических публикаций, посвященных различным аспектам дисперсного армирования строительных материалов [7]. Регулярно проводяться конференции и научно-технические семинары, на которых докладываются результаты научно-исследовательских работ, а также вопросы практического использования дисперсно-армированных бетонов в строительстве [5]. Этой же проблеме были посвящены международные конгрессы и симпозиумы [10].

За рубежом наиболее часто фибробетоны применяют при строительстве туннелей, мостов и дорог, возведении морских платформ нефтедобывающих и перекачивающих станций, также в устройстве полов промышленных зданий и сооружений [10]. В Японии широко применяется фибробетон для возведения зданий в сейсмоопасных районах.

Значимыми примерами использования фибробетонов можно считать: газопроводные туннели под дном Северного моря в Норвегии; множество железнодорожных туннелей в Канаде, автомобильный тоннель протяженностью около 6,5 км, проложенный на глубине до 1 км в Японии и т.п. [72].

Фирмы "Alfanor" и "NorcemCement" (Норвегия) изготовили опытные партии сталефибробетонных труб диаметром 800 мм, предназначенных для отвода промышленных и других сточных вод [34]. В Австралии одной из основных областей применения сталефибробетона является устройство покрытий дорог и тротуаров с интенсивным движением людей и транспорта, полы цехов заводов и фабрик, тротуары, дорожные покрытия) [30]. В Германии свыше 25% индустриальных полов возведено из сталефибробетона [68].

В последние годы в зарубежной практике всё большее применение находят фибробетоны с армированием из синтетических волокон, в т.ч. высо-копрочными и высокомодульными, коррозионно-стойкими во многих средах [43]. Дисперсно-волокнистые наполнители находят применение в бетоне для промышленных складов, гидротехнических сооружений, наружных площадок, в бетонных плитах перекрытий, объектах нефтехимической промышленности, мостах, монолитных конструкциях, бетонных плитах фундаментов, железобетонных сваях, прессованных и отливаемых изделиях, в строительных растворах и штукатурке, торкретбетоне, в декоративном бетоне, в материалах для ремонта бетона, а также в местах повышенной сейсмической активности [60].

Над созданием дисперсно-армированных бетонов и конструкций на их основе, теорий расчета и проектирования фибробетонных конструкций работали и работают многие зарубежные ученые: В.В. Бабков, Ю.М. Баженов, О .Я. Берг, Г.П. Бердичевский, В.М. Бондаренко, И.В.Волков, A.A. Гвоздев, Ю.В. Зайцев, Л.Г. Курбатов, Б.А. Крылов, И.А. Лобанов, К.В., Михайлов, Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, P.A. Малинина, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, Б.Г. Скрамтаев, К.В.Талантова, Т.К. Хайдуков, М.М. Холмян-ский, В.П. Харчевников, Ф.П. Янкелевич, Е.М. Чернышов и зарубежные ученые - Э. Ву, Г.С. Холистер, СТ. Милейко, Дж. Купер и др.

Имеется достаточно широкий опыт применения фибробетона и в строительной отрасли России. Были разработаны и применены фибробетоны на стальной, стеклянной, базальтовой и полипропиленовой фибре. Перечень эффективно апробированных конструкций из фибробетонов приведен в табл. 1.1. [40].

Таблица 1.1.

Использование фибробетонов в строительстве.

Монолитные конструкции и сооружения	Сборные элементы и конструкции
Покрытия автомобильных дорог	Железнодорожные шпалы
Фундаменты и несущий каркас зданий повышенной этажности	Трубопроводы
Промышленные полы	Балки
Самонивелирующиеся полы промзданий с тяжёлым режимом эксплуатации	Ступени
Мостовые настилы	Стеновые панели
Ирригационные каналы	Кровельные панели и черепица
Монолитные конструкции и сооружения	Сборные элементы и конструкции
Морские сооружения	Модули плвающих доков
Водоотводные дамбы	Взрывоустойчивые конструкции
Огнезащитная штукатурка	Плиты аэродромных покрытий,креплений каналов
Обделки тоннелей	Сваи, шпунты
Пространственные покрытия и сооружения	Элементы пространственнх покрытий и сооружений
Оборонные сооружения	Уличная фурнитура

В странах ближнего зарубежья, например, в России использование фибробетона сводится, в основном, к изготовлению сборных конструкций и практически не применяется в монолитном строительстве [12]. Впервые в России фибробетон был применен в Ленинграде в 1979г. при устройстве днища резервуара технической воды. Расход фибры составлял 1,5% по объему бетонной смеси [57].

В основном исследования проводились в области применения и расчета конструкций из стелефибробетона [68]. Подготовлена необходимая для массового внедрения нормативная база по технологии приготовления, расчету и проектированию таких бетонов [66].

Ремонт поверхности водосливов плотин и напорных тоннелей также осуществляется с применением бетона, армированного стальными волокнами. Добавление в бетонную смесь примерно 1% по объему стальных волокон позволяет полностью избежать возникновения трещин в отремонтированных наружных стенах [58].

ЦНИИпромзданий и ЦНТИ Госгражданстроя разработали каталоги композиционных материалов, технологий для их производства и конструкций из бетона, армированного высокопрочными волокнами (стальными, стеклянными, базальтовыми) для зданий и сооружений промышленного, гражданского, жилищного и сельскохозяйственного назначения [18].

Сегодня достаточно изучены фибробетоны на основе стальных, стеклянных и целлюлозных волокнах , менее - дисперсно- армированные бетоны на синтетических и углеродных [68]. Стеклофибробе- тоны, имея по сравнению с бетонами на стальной фибре дополнительное преимущество (стойкость в коррозионных средах), получили меньшее практическое применение, поскольку мало стойки к щелочной среде цементного бетона. В зарубежной практике для изготовления стеклофибробетона используется, как правило, щелочестойкое стекловолокно [69].

В 2001-2002г было налажено производство из стеклофибробетона и применено на объектах Московского строительства элементы несъемной опалубки, карнизные блоки эстакад, лотки водоотводов, плиты перекрытий каналов, элементы мостов и путепроводов и другие элементы. Однако, абсолютные объемы производства были невелики и носили опытный характер, т.к. не имели методики обоснованного подтверждения нормативных и расчетных характеристик и свойств стеклофибробетона [59].

Использование минеральных волокон для дисперсного армирования цементного камня ограничено в основном из-за их низкой стойкости к щелочной среде твердеющего цемента. Успешное использование этого материала невозможно без изучения процессов взаимодействия цементный камень - минеральное волокно [62].

В последние годы в технической литературе, а также переодической печати США, Европпы, Японии и других стран опубликованы работы по использованию минерального волокна, в том числе и базальтового, для армирования бетонных конструкций, в которых отмечается высокая эффективность этого вида дисперсной арматуры [72]. Вместе с тем нет единого мнения по вопросам устойчивости системы «цементный камень - минеральное волокно» во времени.

Исследования группы ученых во главе с Рабиновичем Ф.Н. обнаружили высокую степень разрушения минерального волокна в растворе Са(ОН)₂. К примеру, алюмоборсиликатноемоноволокно выдержанное в течение 12 месяцев в насыщенном растворе извести потеряло по их данным 72% своей исходной прочности. Однако исследователи отмечают высокую стойкость базальтового волокна, прочность которого после выдержки в аналогичных условиях уменьшилась лишь на 26-32% [62, 63]. Авторы также отмечают тенденцию к затуханию реакции базальтовых волокон с СаО во времени. Наиболее интенсивно процессы выщелачивания наблюдаются в течение первых трех месяцев.

Пащенко A.A. с соавторами [48] утверждают о более высокой стойкости базальтовых волокон в агрессивных средах цементного камня и насыщенного раствора извести. Так, после трехлетних испытаний базальтового волокна прочность его уменьшилась лишь на 12-15%.

В связи с вышеизложенными следует более подробно остановиться и на развитии технологии фибробетонов.

1.2 Современное состояние развития технологии фибробетонов

Все существующие фибробетоны можно классифицировать по видам волокон, которые применяются при их армировании [13, 68, 69]:

• Сталефибробетоны - армирование производится стальной фиброй из проволоки, канатов, слябов, листа;

• Стеклофибробетон - армирование производится фиброй из алюмо- боросиликатных, цирконийсодержащих, кварцевых и др. стекол;

• Базальтофибробетон - армирование производится отрезками базальтового волокна и непрерывными нитями из базальта;

• Фибробетоны с применением синтетических волокон - армирование производится найлоновыми, полиэтиленовыми, полипропиленовыми и др. волокнами;

• Асбестоцемент - армирование производится короткими (0,5-4 мм) волокнами хризотилового асбеста.

Сравнительные характеристики всех существующих видов дисперсной арматуры представлены в табл. 1.2.

В табл. 1.2. приведены усредненные показатели различных видов волокон. Из приведенного перечня фибр наиболее эффективными для дисперсного армирования бетона с целью значительного увеличения его прочности могут считаться стеклянные, базальтовые, стальные и углеродные волокна.

Таблица 1.2

Технические характеристики фибр

Волокно	Плотность, г/см3	Прочность на растяжение, ГПа	Модуль упругости, ГПа	Удлинение при разрыве,%	Геометрические характеристики, L х d, мм
Полиэтиленовое	0,95	0,7	1,4-4,2	10	5-30 х 0,005-0,015
Акриловое	1,1	0,21-0,42	2-4	25-45	5-30 х до0,02
Асбестовое	2,6	0,91-3,1	68	0,6	0,1-10 х 0,001-0,05
Стеклянное	2,6	1,05-3,25	70-80	1,5-3,5	5-50 х 0,005-0,05
Базальтовое	2,65	1,9-3,9	90-130	1,2-3,2	5-50 х 0,005-0,05
Стальное	7,8	0,8-3,1	200	3,5-4,0	5-50 х 0,1-2
Углеродное	2,0	2	245	1	5-30 х 0,005-0,05

При решении вопросов дисперсного армирования бетонных материалов необходимо учитывать, что не все искусственные волокна способны противостоять воздействиям среды гидратирующихся цементов [30]. Стеклянные волокна обычного состава подвергаются интенсивной коррозии в твердеющем бетоне на портландцементе [69]. При твердении цементного камня образуется агрессивная среда, которая разрушает поверхность волокна, образуя при этом раковины. Однако это может влиять не только отрицательно на прочность материала в целом. Вводя дополнительное состав фибробетона пуццолановые добавки возможно регулировать степень взаимодействия волокна с выделяемой при гидратации портландцемента известью.

Из ряда минеральных волокон, при оценке их по стойкости в щелочной среде, выделяется базальтовая фибра. По некоторым данным прочность его при использовании в цементных бетонах не изменяется в течение всего срока эксплуатации [16].

Базальтофибробетон по сравнению со сталефибробетоном, при условии разработки оптимальных способов распределения волокна в матрице и разработке самой матрицы, сможет обладать более высокой прочностью и дефор-мативностью, т.к. армирующее его базальтовое волокно обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования цементного камня и само базальтовое волокно обладает более высокой прочностью чем стальная фибра, которая составляет 1,9 - 3,9 ГПа. Кроме того, базальтофибробетон сможет переносить большие упругие деформации потому, что базальтовое волокно при растяжении пластических деформаций практически не имеет, а по модулю упругости превосходит бетон более чем в 3 раза. Плотность базальтовых волокон при прочих сопоставимых характеристиках со стальным волокном, в 3 раза меньше. Это облегчает конструкции из базальтофибробетона, уменьшает общий вес зданий и расходы на их возведение в целом. Благодаря толщине волокон 10- 12мкм, что' меньше минимально возможного диаметра стального волокна на порядок, поверхность сцепления с цементной матрицей может доходить до100000м /кг, в зависимости от дозировки волокна в цементной системе. При этом ни одна из модификаций известных волокон не обладает такой мощной исходной сырьевой базой [29].

Влияние базальтовых волокон на свойства бетона зависит от их длины и отношения длины к диаметру. Теоретически более длинные волокна и с большим отношением длины к диаметру лучше, чем более короткие. Чем больше длина фибр, тем больше волокно оказывает влияние на прочностные показатели бетона в целом. Однако длинные волокна распределить и уложить более трудно, они хуже распределяются в бетоне. Наиболее эффективной длиной минерального волокна при дисперсном армировании бетона является 8-15мм [34], при этом должно соблюдаться условие, что длина волокна должна превосходить двойной диаметр наиболее крупного заполнителя.

До настоящего времени применение базальтовых волокон в строительных изделиях сдерживалось рядом причин. В частности, отсутствует нормативная база по проектированию, расчету, технологиям производства строительных конструкций из товарных бетонов с использованием базальтового волокна. Обширного внедрения базальтофибробетонов нет по причине отсутствия нормативных документов, устанавливающих требования к самому базальтовому волокну, как к дисперсной арматуре бетонов. Именно по этой причине данные о стойкости волокон к щелочной среде разняться. Существуют две технологии получения базальтового волокна: методом выдувания из расплава и методом вытягивания волокон из расплава через фильеры. Первый метод используется для получения теплоизоляционных материалов. Получаемый материал имеет большое количество посторонних включений в виде корольков, волокна имеют большой разброс в геометрических размерах как для единичного волокна, так и для общей массы фибры в целом.

Второй метод позволяет регулировать геометрические характеристики волокон, получать фибру одинаковой структуры и механических свойств. Этот метод получения базальтового волокна наиболее подходит для дисперсного армирования бетонов [63].

Несмотря на все многообразие видов используемых в строительной индустрии фибр, выбрать какой-то единый тип, который удовлетворял бы всем требованиям, предъявляемым к современным строительным материалам, не представляется возможным. В нашем случае интерес представляют фибробе- тоны, армируемые высокопрочными волокнами, с высоким по отношению к бетону модулем упругости. Каждый из указанных видов фибробетонов имеет характерные достоинства и недостатки.

В последнее время предложена следующая классификация бетонов по прочности : 1- рядовые бетоны (с прочностью до 40 МПа) имеющие самый массовый спрос и потребление на строительном рынке; 2 - высокопрочные бетоны (40-80 МПа), широко применяемые в строительстве высотных зданий и сооружений; 3 - особо высокопрочные бетоны (80-120 МПа) для конструкций зданий и сооружений повышенной ответственности и большого ресурса эксплуатации; 4 - сверхвысокопрочные бетоны (более 120МПа) уникального назначения [22].

Так называемые сверхвысокопрочные бетоны (с прочностью на сжатие более 120 МПа) ограничены в примении из-за ряда причин, основными из которых можно выделить следующие [7]:

- очень тщательный подбор заполнителей имеющих собственную высокую прочность (таких как гранитная крошка). Основным принципом здесь выступает улучшение однородности структуры бетона за счет исключения крупного заполнителя;

- повышение плотности укладываемой смеси за счет оптимизации гранулометрического состава заполнителей и приложения давления до и во время схватывания и твердения бетона;

- улучшение микроструктуры бетона за счет специальных режимов тепловой или автоклавной обработки после схватывания;

- большое количество активных пуццолановых наполнителей (до 25-35% от массы цемента) и применение повышенного расхода гиперпластификаторов (3-5% от массы цемента);

- применение высокомарочных цементов с активностью не менее 80-100 МПа с соотношением вяжущее/заполнитель 1:1, 1:1,5.

Такой подход к производству бетонов дает возможность получения высокопрочных бетонов с прочностью на сжатие в марочном возрасте до 800МПа. Однако применение его в изготовлении конструкций должно быть экономически обосновано, поскольку стоимость такого бетона превосходит стоимость металлоконструкций на несколько порядков, а применение в построечных условиях практически исключено.

Однако применение фибрового армирования базальтовым волокном высокой дисперсности позволит, по нашему мнению, получить составы сверхвысокопрочных бетонов на рядовых заполнителях и цементах, за счет высокой гомогенизации всех компонентов смеси.

Наиболее распространенным вяжущим для получения высокопрочных бетонов является портландцемент. Свойства портландцементов подробно исследованы и описаны в литературе. Среда гидратирующихся портландцементов является достаточно агрессивной по отношению ко всем видам минеральных волокон. Однако данный фактор может оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на обеспечение прочности сцепления в контактной зоне между цементной матрицей и армирующими волокнами [62,63].

Основным компонентом жидкой фазы твердеющего портландцемента, влияющим на армирующие волокна, является гидроксид кальция [27], активно взаимодействующий с компонентами минерального волокна, в первую очередь, с кремнеземом. В результате воздействия щелочесодержащей жидкой фазы твердеющего цемента происходит коррозионное разрушение минеральных волокон вследствие выщелачивания и разрушения их кремнекислородно-го каркаса при длительном контакте со средой. Здесь также, следует отметить, что снижение содержания алита и повышение количества белитовой фазы в портландцементе уменьшает, как правило, интенсивность агрессивного влияния среды гидратации цемента по отношению к стеклянным волокнам [69].

Однако наилучшие результаты по прочности на сжатие показывают цементы с повышенным содержанием C3S (не менее50%) [7]. Таким образом, для получения высокой прочности необходимы цементы с высоким содержанием алитовой фазы, что может отрицательно сказаться на стойкости базальтового волокна во времени. Эта проблема может решиться при помощи определенного количества активных пуццолановых наполнителей, связывающих выделяющийся в процессе гидратации гидроксид кальция.Выше отмечалось, что одним из условий получения сверхвысокопрочных бетонов является отказ от крупного заполнителя. А мелкий заполнитель должен ограничиваться фракциями не крупнее 1мм [8]. При этом должен осуществляться гранулометрический подбор заполнителей, обеспечивающий максимальную упаковку всех компонентов зернистого каркаса бетонной смеси. Такой состав заполнителя более благоприятствует равномерному распределению волокна, чем крупнозернистая смесь. При армировании бетона минеральным волокном рекомендуется использовать заполнитель с крупностью до 2,5мм [6]. Одним из условий для получения бетонов высокой прочности является минимальная пустотность и однородность его структуры, достигаемая исключением грубой зернистости и подбором соответствующих фракций. Также качество фибробетона зависит от химического и минералогического состава заполнителей, их структуры, формы зёрен, плотности, твёрдости, прочности и других их свойств [16].Опыт производства высококачественного бетона в США и Европе показывает, что максимальная крупность заполнителя не должна превышать 1-2 мм. Такой бетон по сути становится тонкозернистым, с более гомогенизированной структурой [6].Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений совершенствования структуры цементных композиций и бетонов на их основе является широкое использование различных органических и неорганических добавок [45]. Вводимые в незначительных количествах модифицирующие добавки оказывают влияние на процессы гидратации и кристаллизации, морфологию новообразований и, в целом, на структуру затвердевшего цементного камня, изменяя, тем самым, свойства бетона - прочность, пористость, водонепроницаемость, усадку, трещиностойкость и т.д. [53]. Номенклатура применяемых добавок очень обширна. Актуальным направлением в получении высококачественных цементных композиций, отличающихся более широким спектром функциональных возможностей, является использование комплексных добавок, сочетающих в себе свойства индивидуальных добавок различного функционального назначения [32]. Многокомпонентность комплексных добавок и, как следствие, многокомпонентность бетонной смеси позволяет эффективно управлять процессами структурообразования на всех этапах технологии приготовления бетона и получать бетон с различными эксплуатационными свойствами. При этом высокие технологические свойства бетона наряду с многокомпонентностью состава обеспечиваются и высокими функциональными свойствами самих компонентов [2].Основным компонентом таких бетонов являются тонкодисперсные добавки - наполнители с высокими пуццоланическими свойствами [12]. К ним относятся, прежде всего, микрокремнеземы (microsilica, silicaatraub, silica - dumpf), активные высокодисперсные золы, не содержащие несгоревших остатков, дегидратированные каолины и др. Наиболее реакционно-активными из них считаются микрокремнеземы, способные связывать гидролизную известь в процессе твердения цемента в низкоосновныегидро силикаты кальция и значительно повышать прочность и долговечность бетона. В настоящее время номенклатура тонкодисперсных наполнителей высокопрочных бетонов значительно расширена. В их числе предложено использовать измельченные отходы металлургической и энергетической промышленности, кварцевые пески, известняки и доломиты, отходы от производства бетона, имеющиеся практически во всех регионах страны [44]. Особенно эффективно использование таких добавок в комплексе с суперпластификаторами и армирующими элементами [71].Понижение водосодержания бетонных смесей до уровня нормальной густоты цементного теста требует применения высокоэффективных разжижи-телей. Не случайно основные области применения бетонов с суперпластификаторами - это высокопрочные бетоны. При производстве высокопрочных бетонов за рубежом предъявляются особо жесткие требования к суперпластификаторам, которые должны обладать не только высокой реологической активностью, но и минимальным воздействием на гидратационную активность цементов в начальной фазе твердения [75]. В качестве суперпластификаторов наиболее широко применяются соединения следующих видов: модифицированные лигносульфанаты, сульфированные меламинфор-мальдегидные смолы, продукты конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида.В Узбекистане использованию фибробетона в строительстве пока не уделяется достаточного внимания, из-за не достаточной изученности его свойств и технолгии получения, отсутствием сведений о наличии сырьевой базы волокнистых наполнителей и недостаточной обоснованности эффективных областей его использования. Учитывая то, что в Узбекистане (в городе Навои) освоено производство базальтового волокна, а также то, что строительная отрасль Узбекистана нуждается в новых современных эффективных конструкционных строительных материалах, считаем целесообразным проведение комплекса НИР по изучению свойств базальтофибробетона на основе местного сырья и материалов.

1.3 Цель и задачи исследований

Настоящая магистерская диссертация направлена на обоснование возможности использования местного базальтового волокна (производство освоено в г.Навои) в качестве дисперсно-волокнистого наполнителя для производства базальтофибробетона, исследование его строительно-технических свойств и уточнение областей эффективного его использования в строительном производстве.

Поэтому перед настоящей научно-исследовательской работой былапоставлена задача проведения комплекса экспериментально-теоретического исследований по изучениюсвойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с использованием в качестве дисперсно-волокнистого наполнителя Навоийского базальтового волокна , уточнению механизма и роли влияния этого наполнителя на свойства цементных систем, оптимизации составов базальтофибробетона и определению рациональных областей его применения в строительном производстве с целью достижения максимальной эффективности от ивнедениянновационной идеи.

Целью настоящей диссертационной работы является проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований по обоснованию возможности использования местного базальтового волокна (производство освоено в городе Навои) в качестве дисперсно-волокнистого наполнителя для получения базальтофибробетона, изучению свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с использованием базальтового дисперсно-волокнистого наполнителя, оптимизации состава базальтофибробетона, а также уточнению рациональных областей применения разрабнногобазальтофибробетона в строительной отрасли Узбекистана.

В частности, предстоит решить следующие задачи:

1. Определение свойств Навоийского базальтового волокна как дисперсно-волокнистого наполнителя для базальтофибробетона.

2. Выбор методикиэкспериментальных исследований свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с применением базальтового дисперсно-волокнистого наполнителя.

3. Выполнениеэкспериментальных исследований по определению основных свойств цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона с базальтовым дисперсно-волокнистым наполнителем.

4. Подбор оптимального состава базальтофибробетона с использованием метода математического планирования экспериментов.

5.Разработкапрактических рекомендаций по освоению технологии базальтофибробетона на основе местногобазальтового волокна .

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основании проведенного комплекса экспериментально-теоретических исследований цементного вяжущего, бетонной смеси и бетона установлены закономерности влияния дисперсно-волокнистого наполнителя-Навоийского базальтового волокна на свойства цементных материалов.

2. На основании разработанных математических моделей выявлены зависимости измения прочностых свойств базальтофибробетона от рецептурно - технологических параметров.

3. Подобран оптимальный состав базальтофибробетона с использованием Навийского базальтового волокна .

Практическое значение проведенных исследований заключается в том, что в результате обобщения экспериментальных и теоретических исследований разработаны практические предложения и рекомендации по получению базальтофибробетона на основе местного дисперсно-волокнистого наполнителя- Навийского базальтового волокна.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЫБОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Характеристика исходных материалов

При выполнении экспериментальных исследований в качестве вяжущего был использован портландцемент марки М400 Ахангаранского цементного комбината. Химический состав клинкера Ахангаранского цементного комбината характеризовался содержанием следующих окислов: CaO- 65,79%, SiO₂ - 22,12%, Al₂O₃ - 4,54%, Fe₂O₃ - 4,17%, SO₃ -0,64%, MgO - 1,71%, Na₂O - 0,23%, K₂O - 0,38%, п.п.п.- 0,20%.

Минералогический состав портландцементного клинкера характеризовался содержанием следующих минералов: С₃S- 57,5%, C₂S - 17,8%, С₃A - 4,7%, С₄AF - 12,5%.

Результаты исследования физических и физико-механических свойств вяжущего представлены в табл. 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1

Физические свойства портландцемента

Вид цемента	Средняя плотность г\см3	Истинная плотность г\см3	Тонкость помола	Нормаль-ная густота
			Удельная поверхность м2\кг	Остаток на сите 0,08, %
Портландцемент Ахангаранский М 400	1,21	3,20	300	8,5	25,5

Таблица 2.2.

Физико-механические свойства портландцемента

Вид цемента	Сроки схватывания, час.-мин	Пределпрочности через 28сут. твердения, МПа	Равномерность изменения в объёме
	начало	конец	изгиб	сжатие
Портландцемент Ахангаранский М 400	1-40	6-20	5,80	41,80	выдержал

По своим физическим и физико-механическим показателям свойств Ахангаранский портландцемент использованный в исследованиях удовлетворяет требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические требования.» и по активности соответствует марке М400.

В качестве минерального наполнителя в исследованиях использовали золу-унос Новоангренского ГРЭС, отвечающий требованиям ГОСТ 25818-83 «Зола-унос тепловых электростанций для бетона». Химический состав золы-унос приведен в табл. 2.3., физические характеристики - в табл.2.4., а фракционный состав - в табл. 2.5.

Таблица 2.3.

Химический состав золы

Вид золы	Содержание, % по массе
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	So3	TiO2	Na2O	K2O	MnO	n.n.n.
Золаунос Новоангренской ГРЭС	49,7	19,1	10,5	11,5	3,6	1,4	-	0,9	1,4	0,2	1,2

Таблица 2.4.

Физические характеристики золы

Вид золы	Истинная плотность, г\см3	Объёмная масса, кг\м3	Удельная поверхность, см2\г	Водопотребность %	Активность по поглощению извести, мг\ч	Модуль активности	Модуль основности
Зола-унос Новоангренской ГРЭС	2,12	1150	3000	54	25	0,38	0,22

Таблица 2.5.

Фракционный состав золы

Вид золы	Содержание, % по массе
	0-5	5-10	10-20	20-30	30-40	40-60	60-80	8
Зола-унос Новоангренской ГРЭС	1,9	3,5	11,3	20,4	32,5	18,6	8,1	3,7

По модулю активности Мa=Аl₂O₃/SiO₃ зола-унос классифицируется как низкоактивная.

По модулю основности М_o=(CaO+MgO)/ (SiO₂+ Аl₂O₃) зола-унос относится по классификации А.В.Волженского к сверхкислым.

В качечтве мелкого заполнителя использовали строительный песок Куйлюкского карьера с модулем крупности М_кр= 2,65 согласно ГОСТ 8736-85.

Фракционный состав песка Куйлюкского карьера приведен в табл.2.6.

Таблица 2.6.

Физические свойства песка

Гранулометрический состав	Модуль крупности	Средняя насыпная плотность г\см3	Содержание глинистых и пылевидных включений, %	Содержание органических примесей
Размер	Остаток на сети, г	Частичный остаток, %	Полный остаток, %
2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Прошло сквозь сито 0,14	84 115 368 245 151 7	8,4 11,5 36,8 24,5 15,1 0,7	8,4 19,9 56,7 81,2 99,3 100,0	2,65	1,45	1,1	Жидкость оставшаяся над песком, светлее эталона

Для контроля активности цемента использовался песок монофракционный стандартный по ГОСТ 6139-91.

Для определения удельной поверхности песка в использовали формулу Ладинского С.А.

16.5 R_ф

S_з =-------------- (а + 2b + 4с + 8d + 16е + 32f),

1000

где R_ф - коэффициент учитывающий форму зерен (1,5... 2,5);

а, b, с, d, е, f - частные остатки на ситах с размером отверстий 2,5,1,25, 0,63, 0,315, 0,14 и прошедшее через 0,14 мм.

В качестве пластифицирующей добавки был использован:

- суперпластификатор С-3 (ТУ 6-36-0204229-625-90*) производства Но-вомоссковского завода ООО «Полипласт», который представляет собой не- слеживающийся порошок коричневого цвета, легкорастворимый в воде. С-3 относится к категории анионактивных ПАВ и является смесью олигомерных и полимерных соединений, образующихся при конденсации сульфокислот нафталина с формальдегидом и нейтрализации щелочью (NaOH) и технических лигносульфонатов, непрореагировавшей соли Я- нафталинсульфокислоты и сульфата натрия. В соответствии с ТУ 6-360204229-625-90* в С-3 содержание активного вещества в пересчете на сухой продукт не менее 69 %, содержание золы не более 38 %, pH (2,5 %-ного водного раствора) 7-9, содержание воды не более 10 %.

В качестве дисперсно-волокнистого наполнителя использовался базальтовое моноволокно диаметром 10мкм, полученное из базальтового ровинга (комплексной нити из непрерывного базальтового волокна) производства ЧПП «Тризол-Н» (г. Навои);

Требования предъявляемые к суперпластификатору С-3 приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7.

Требования к суперпластификатору С-3

Наименование показателей	Требования
Внешний вид Содержание активного вещества в пересчете на сухой продукт, % не менее Содержание воды, % не более Содержание золы в пересчете на сухой продукт, % не более рН 2,5 %-го водного раствора	Жидкость коричневого цвета. Допускается осадок 69 68 38 7-9

Химический состав используемых волокон представлен в табл.2.8, технические характеристики представлены в табл.2.9.

Таблица 2.8.

Химический состав базальтовыхволокон

Волокно	Содержание окислов, %
	Si02	А1203+ТiO2	Fe203	CaO	MgO	Na20+K20	п.п.п.
Волокно из рубленного базальтового ровинга	50,29	16,22	14,89	13,90	2,88	2,04	-

Таблица 2.9.

Технические характеристики базальтового волокна

Волокно	Диаметр волокна, мкм	Плотность, г/см3	Прочность на растяжение, ГПа	Модуль упругости, ГПа	Удлинение при разрыве, %	Температура эксплуатации °С
Волокно из рубленного базальтового ровинга	10±0,5	2,80	3,5-3,6	91-110	3,0-3,3	от -200 до +700

В экспериментах также использовалась водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

2.2 Методы исследований, приборы и оборудование

Удельная поверхность наполнителей определялась на приборе ПСХ-12. Действие прибора основано на измерении удельной поверхности порошковых материалов методом Козеини-Кармана - по воздухопроницаемости и пористости уплотненного слоя порошка и соответствующие ей среднемассовые размеры частиц [3].

Активность наполнителей определяли по поглощению СаО из насыщенного раствора извести с рН=12,15 [45]. Добавки затворялись насыщенным раствором СаО. Через двое суток после смешивания из раствора с добавкой отбирали 50 мл раствора и титровали. В качестве титра использовали 0,05Н раствор соляной кислоты. Затем один раз в сутки колбу с раствором встряхивали, и через каждые двое суток титровали. После каждого титрования в колбу добавляли 50мл нового насыщенного раствора извести. Таким образом раствор титровали 15 раз в течении 30 суток. Общее количество СаО, поглощаемое 1г минеральной добавки определяли путем суммирования всех 15 замеров.

Пластифицирующий эффект и водоредуцирующее действие оценивалось по методике, разработанной на кафедре ТБКиВПензенского ГУ АС [73]. Эта методика позволяет существенно сократить расход материалов. Для определения этого использовали видоизмененный вискозиметр Суттарда, который представляет собой стальной цилиндр из нержавеющей стали с внутренним диаметром 10 мм и высотой 40 мм. Изменение водопотребности и подвижности оценивалось по величине расплыва на границе гравитационной растекаемости. Предельное напряжение сдвига при этом определялось по формуле:

ф₀=hd²р/кD²

где ф₀ - предельное напряжение сдвига суспензии, Па;

h и d - соответственно высота и диаметр вискозиметра, м;

р- плотность суспензии, кг/м³ ;

к - коэффициент, учитывающий перераспределение напряжений в вязкопластичных телах, равный 2;

D - диаметррасплыва суспензии, м.

Для вискозиметра с указанными размерами расплыв на границе гравитационной растекаемости равен 22...24 мм, что соответствует т₀ =10-30 Па. Водоредуцирующее действие суперпластификатора определяли из выражения:

 (В/Ц)_н - (В/Ц)_п

?В = -----------------------------х100%

(В/Ц)_н

где (В/Ц)_п и (В/Ц)_н -- водоцементное отношение пластифицированных и непластифицированных систем.

Определение рН-среды (активность ионов водорода) гидратирующегося цемента с модификаторами и без них осуществляли потенциометрическим методом на милливольтметре рН-213 производства HANNA Instruments.

Для испытаний в качестве проб использовали: порошок цементного камня, измельченного в фарфоровой ступке до момента, когда вся навеска проходила через сито 008. С целью исключения влияния процесса карбонизации и загрязнения от стенок и дна формы пробу извлекали из середины образца.

Навеску цементного камня (цементного теста) в количестве 10 г помещали в коническую колбу, и тщательно перемешивали в течение 20-30 с. Полученную цементную суспензию отфильтровывали, и раствор фильтрата переливали в стеклянный стаканчик. Измерения проводили, опуская в стеклянный стаканчик с исследуемым раствором два электрода - электрод измерения (индикаторный), потенциал которого зависит от концентрации определяемых ионов в растворе, и электрод сравнения (стандартный), относительно которого измеряют потенциал электрода измерения. Потенциал электрода сравнения остается постоянным при изменении концентрации определяемых ионов. После каждого измерения электроды осушали фильтровальной бумагой и промывали дистиллированной водой.

Для определения реологических свойств цементных суспензий армированных базальтовым волокном в вязкопластичном состоянии в работе использовали ротационный вискозиметр РВ-8 конструкции Волоровича М.П., основными рабочими органами в котором являются два латунных коаксиальных цилиндра. Между ними помещали испытуемую суспензию. Вращение внутреннего цилиндра с помощью грузов относительно наружного позволяет установить зависимость вязкости текучих смесей от числа оборотов в секунду по формуле:

з= kх(Р - Р₀)/N

ГдеР - сумма грузов, вращающих внутренний цилиндр, г;

Р₀ - трение подшипников, соответствующее грузу массой 1-2 г;

N - число оборотов цилиндра в секунду;

k - константа прибора.

Вискозиметр позволяет также оценить предельное напряжение сдвига - т, возникающее в испытуемой жидкости в результате вращения внутреннего цилиндра:

ф = k₁х (Р₁-Р₀)

где Р₁ - минимальный груз, при котором начинается при постепенном увеличении нагрузки вращение внутреннего цилиндра, г;

Технологические свойства тонкозернистого бетона при разном водоце-ментном отношении оценивали по изменению её подвижности. Подвижность оценивали по расплыву конуса (ГОСТ 310.4-81), по расплыву на вискозиметре Суттарда.

Изменение подвижности тонкозернистого бетона оценивали следующим образом:

- по расплыву конуса:

РК = d₁/d₂

где d₁, и d₂- диаметры, см, расплыва конуса растворной смеси с разным водоцементным отношением.

по расплыву на вискозиметре Суттарда:

РС = D₁/D₂

где D₁ и D₂ - диаметры расплыва, см, растворной смеси с разным водоцементным отношением.

Изменение линейных деформаций определяли на образцах-балочках 40x40x160 мм, изготовленных в зависимости от цели эксперимента из цементного теста нормальной густоты или из тонкозернистых базальтофибро- бетонных смесей, твердевших в воздушно-влажных, нормально-влажностных или водных условиях. При этом руководствовались методиками ГОСТ 11052 или ТУ 5734-072-46854090-98, согласно которым измерение деформаций проводили с помощью индикатора часового типа с точностью 0,01 мм. В ряде случаев изменение деформаций фиксировали штангенциркулем с ценой деления 0,1 мм.

Плотность,определяли в соответствии с методиками ГОСТ 12730.0-78 -- ГОСТ 12730.4-78.

Прочность на сжатие, растяжение при изгибе и прочность на растяжение при раскалывании определяли на прессах Р-5, МИИ-100, УММ-10, МС-500 в соответствии с методиками ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 10180-90 и ГОСТ 1810586.

Прочность на сжатие и на растяжение при раскалывании цементного камня, тонкозернистого бетона и базальтофибробетона определяли на образцах размерами 2x2x2см.

Прочность на растяжение при изгибе цементного камня, тонкозернистого бетона и базальтофибробетона определяли на образцах 2x2x8см.

В каждой серии испытаний количество образцов принималось не менее трех.

Для объективной оценки точности измеряемых случайных величин использовалась статистическая обработка результатов эксперимента. Обработку экспериментальных данных производили при помощи программы Microsoft Excel. Фактические данные физико-механических испытаний подвергались статистической обработке с вычислением среднеарифметических значений результатов испытаний, среднеквадратичного отклонения, коэффициента вариации и определением количества образцов, необходимых для получения результатов с заданной степенью точности. Для обеспечения достоверности результатов эксперимента минимальное количество образцов в каждой серии испытаний принято не менее трех, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 10180-90 "Методы определения прочности по контрольным образцам".

...