Наукові засади підвищення тріщиностійкості дорожнього цементного бетону

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

УДК 691.32: 620.191.33

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

НАУКОВІ ЗАСАДИ ПІДВИЩЕННЯ ТРІЩИНОСТІЙКОСТІ ДОРОЖНЬОГО ЦЕМЕНТНОГО БЕТОНУ

СОЛОДКИЙ СЕРГІЙ ЙОСИФОВИЧ

Львів - 2009

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант -

лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, доктор технічних наук, професор Рунова Раїса Федорівна, Київський національний університет будівництва та архітектури, профессор кафедри технології будівельних конструкцій і виробів

Офіційні опоненти -

доктор технічних наук, професор Шейніч Леонід Олександрович, Державне підприємство "Державний НДІ будівельних конструкцій" Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, м. Київ, завідувач відділом

лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, Національна академія природоохоронного і курортного будівництва, м. Сімферополь,

ректор, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій і матеріалів доктор технічних наук, професор, Барабаш Іван Васильович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, директор будівельно-технологічного інституту, завідувач кафедри міського будівництва та господарства

Захист відбудеться " 30 " жовтня 2009 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.17 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. Карпінського 6, ауд. 212)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. Професорська 1)

Автореферат розісланий " 23 " вересня 2009 р

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Холод П.Ф.

Анотації

Солодкий С.Й. Наукові засади підвищення тріщиностійкості дорожнього цементного бетону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2009.

У дисертаційній роботі наведено результати досліджень, спрямованих на розроблення теоретичних засад і технології одержання дорожніх бетонів підвищеної тріщиностійкості шляхом розкриття та реалізації закономірностей розвитку процесів структуроутворення бетонів, що забезпечують найвищі значення енерговитрат на його руйнування.

Встановлено закономірності взаємозв'язку структури, міцності та тріщиностійкості з повністю рівноважними діаграмами деформування бетонів із штучно створеною тріщиною, які дали змогу якісно описати процеси руйнування бетонів і кількісно оцінити їх тріщиностійкість за силовими та енергетичними критеріями. Запропоновано поглиблений підхід до оцінювання та прогнозування тріщиностійкості бетону за енергетичним критерієм. бетон тріщиностойкість руйнування

Проведено апробацію у промислових умовах і наведено її результати.

Ключові слова: дорожній цементний бетон, тріщиностійкість, механіка руйнування, повністю рівноважна діаграма деформування, технологічні чинники, будівельно-технічні властивості.

Солодкий С.И. Научные основы повышения трещиностойкости дорожного цементного бетона. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. -Национальный университет "Львивська политехника", Львов, 2009.

В диссертационной работе приведены результаты исследований, направленные на разработку теоретических основ и технологии получения дорожных цементных бетонов повышенной трещиностойкости путем раскрытия и реализации закономерностей развития процессов структурообразования бетонов, которые обеспечивают наивысшие значения энергозатрат на их разрушение.

На основе представлений про многоуровневую циклическую структуру разработана модель формирования трещиностойкости бетона в доэксплуатационной стадии, как совокупность факторов, которые в тесном взаимодействии обуславливают увеличение или уменьшение трещиностойкости бетона. Модель является основой нового подхода для проектирования состава дорожного бетона повышенной трещиностойкости.

С позиций механики разрушения выявлены закономерности деформирования и разрушения бетонов дорожного назначения при изгибе с трещиной нормального отрыва. Развитие трещины рассматривается как непрерывный процесс ее распространения через разные структурные неоднородности от цементной матрицы через цементно-песчаный раствор и бетон.

Установлены закономерности взаимосвязи структуры, прочности и трещиностойкости с полностью равновесными диаграммами деформирования бетонов с искусственно созданной трещиной, позволяющие качественно описать процессы деформирования и количественно оценить их трещиностойкость по силовым и энергетическим критериям. Предложено обобщенную функцию, которая описывает полностью равновесную диаграмму деформирования бетона. Интеграл функции соответствует общей работе разрушения бетона, а его удельный показатель (отношение к площади поперечного сечения бетонного элемента) предлагается в качестве интегральной энергетической характеристики бетона сопротивления разрушению - энергетический потенциал трещиностойкости. Для исследованных бетонов данный показатель составляет 140-300 Дж/м 2.

Экспериментальными исследованиями установлено, что значение критического прогиба бетонных элементов, которое на спадающей ветке диаграммы деформирования можно идентифицировать точкой, за которой начинается нестабильное развитие трещины, для мелкозернистых бетонов составляет (300-400).10-6 м, для тяжелых бетонов - (400-500).10-6 м. Достижение критического прогиба соответствует исчерпанию несущей способности бетонного элемента.

Предложен критерий количественной оценки трещиностойкости бетона как отношение вязкости разрушения к прочности бетона на сжатие и четыре категории количественной оценки трещиностойкости для включения в нормативные документы при внедрении расчета состава бетона для конструкций определенного назначения.

Разработан алгоритм расчета неоднородности критических коэффициентов интенсивности напряжений методами линеаризации и Монте-Карло. В результате статистического моделирования определены расчетные показатели характеристик трещиностойкости бетонов на основе цементов разных типов по вещественному составу в зависимости от уровня надежности, принятого при расчете конструкции.

Установлено влияние технологических факторов на порказатели прочности, деформативности и трещиностойкости дорожных бетонов.

На базе сформулированных научных основ и полученных экспериментальных результатов разработаны составы бетонов дорожного назначения повышенной трещиностойкости как интегрального показателя их качества. Предложена методика оценки трещиностойкости бетона на стадии проектирования состава, что дает возможность сравнивать конкурирующие варианты и объективно назначать их место в конструкции дорожной одежды. Определены физико-механические и строительно-технические свойства бетонов разработанных составов и показано, что по всем показателям качества они соответствуют требованиям нормативных документов.

На основании теоретических и экспериментальных исследований проведена апробация разработанных дорожных бетонов повышенной трещиностойкости при строительстве конструктивных слоев дорожных одежд и приведены ее результаты.

Ключевые слова: дорожный цементный бетон, трещиностойкость, механика разрушения, полностью равновесные диаграммы деформирования, технологические факторы, строительно-технические свойства.

Solodkyy S.Y. Scientific Fundamental Principles of the Crack Resistance Increasing of the Road Cement Concrete. - Manuscript.

Thesis for a Doctor degree in technical sciences, speciality 05.23.05 - Building materials and products. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2009.

The doctoral thesis presents the research results, aimed at working out of theoretical fundamental principles and technology of the road concrete obtaining with the increased crack resistance by the way of finding out and realizing development mechanisms of concrete structuring processes that provide the highest values of energy consumption for the concrete failure.

There have been determined mechanisms of the correlation of structure, strength and crack resistance with the fully equilibrium diagrams of concrete deformation with the artificially created crack which gave the possibility to provide the qualitative analysis to the processes of concrete failure as well as to carry out the quantitative estimation of their crack resistance according to the strength and energy criteria. A more detailed approach towards the estimation and prediction of the concrete crack resistance according to the energy criterion has been suggested.

The research results have been tested in industrial conditions, the tested results assessment has been presented.

Key words: road cement concrete, crack resistance, failure mechanics, fully equilibrium deformation diagram, technological factors, building-technical characteristics

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сьогодення будівельної галузі характеризується стрімким зростанням застосування цементного бетону, який став основним матеріалом для різних видів капітального будівництва, в тому числі дорожнього. Розвиток дорожньої інфраструктури передбачає будівництво сучасних автомагістралей із високими транспортно-експлуатаційними характеристиками та є надзвичайно актуальним завданням для інтеграції України у Європейську спільноту.

Реалії значного приросту інтенсивності та вантажонапруженості автомобільного руху вимагають будівництва дорожніх одягів підвищеної капітальності та довговічності, застосування сучасних будівельних матеріалів і технологій. Найбільш довговічними є дорожні одяги жорсткого типу з використанням цементного бетону в шарах основи і покриття. Проте, тріщиноутворення в бетонних плитах, а також відображення тріщин із жорстких шарів основи на покриття є істотною проблемою дорожніх одягів із застосуванням матеріалів на портландцементі, що стримує їх широке впровадження у дорожнє будівництво.

Основним критерієм підбору складу бетону сьогодні є міцність. Вважається, що правильно підібраний склад бетону за міцністю у разі дотримання системи певних обмежень за вмістом цементу, води, об'ємному вмісту піску і щебеню забезпечує нормативний термін безвідмовної експлуатації конструкції. Проте, на практиці це твердження справджується далеко не завжди у зв'язку із низькою тріщиностійкістю бетону. Тому розроблення і впровадження рекомендацій з проектування складу бетону з урахуванням критерію тріщиностійкості дадуть змогу отримувати бетони із високою здатністю чинити опір поширенню тріщин при дії силових і несилових експлуатаційних чинників. Це своєю чергою створює підґрунтя для розроблення теорії розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на засадах механіки руйнування, яка б відображала фізичну сутність довготривалого процесу руйнування внаслідок поширення тріщин.

На основі викладеного можна заключити, що розроблення теоретичних засад підвищення тріщиностійкості дорожнього бетону, врахування критеріїв механіки руйнування при проектуванні його складу є важливою актуальною проблемою в галузі матеріалознавства, яка має економічне та народногосподарське значення. Вирішення цієї проблеми є можливе за умови застосування комплексного, багаторівневого підходу до структури бетону, розвитку закономірностей керованого синтезу заданих властивостей бетону технологічними чинниками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота базується на матеріалах науково-дослідних робіт, виконаних безпосередньо за участю автора, які увійшли в плани науково-дослідних робіт Національного університету "Львівська політехніка" за 1997-2008 рр. Робота виконувалась у відповідності до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за напрямком "Нові речовини і матеріали", проектом "Встановлення закономірностей структуроутворення композиційних систем на основі модифікованих алюмосилікатів для забезпечення направленого синтезу фізико-механічних властивостей в умовах напружено-деформованого стану", проектом "Теоретичні основи визначення впливу корозії на напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій" (номер держреєстрації 0107U000833), а також із госпдоговірною темою з державним НТЦ "Дор'якість" № 2-143/06 "Розробити рекомендації з укріплення грунтів та кам'яних матеріалів композиційними алюмосилікатними цементами з метою отримання довговічних конструкцій дорожнього одягу".

Мета і завдання дослідження. Підвищення тріщиностійкості дорожнього цементного бетону шляхом розкриття та реалізації закономірностей розвитку процесів структуроутворення, що забезпечують регламентовані будівельно-технічні властивості та високу довговічність бетону за енергетичним критерієм тріщиностійкості.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

– розробити модель формування тріщиностійкості важкого бетону в доексплуатаційній стадії на підставі уявлень про його багаторівневу, циклічну будову;

– виявити закономірності розвитку тріщин у бетоні на різних рівнях структури;

– реалізувати енергетичну концепцію щодо оцінювання та прогнозування тріщиностійкості бетону на основі аналізу повністю рівноважних діаграм деформування бетону із тріщиною нормального відриву;

– з позицій механіки руйнування обґрунтувати критерій руйнування бетону;

– розкрити закономірності впливу технологічних чинників на показники тріщиностійкості бетону та реалізувати їх при розробленні рекомендацій з проектування його складу за критерієм тріщиностійкості;

– розробити методику визначення розрахункових параметрів тріщиностійкості бетонів із заданою надійністю і на основі статистичного моделювання визначити їх розрахункові показники;

– запропонувати критерій оцінювання тріщиностійкості важкого бетону залежно від його міцності на стиск;

– визначити основні фізико-механічні та будівельно-технічні властивості дорожніх бетонів розроблених складів підвищеної тріщиностійкості;

– на підставі одержаних експериментальних даних розробити рекомендації щодо практичного застосування, забезпечити використання результатів роботи при проектуванні складу бетону підвищеної тріщиностійкості на виробничих об'єктах і у навчальному процесі, здійснити впровадження розроблених складів бетонів при будівництві конструктивних шарів дорожнього одягу, виконати техніко-економічні розрахунки з оцінювання їх ефективності.

Об'єкт дослідження - важкий бетон для влаштування конструктивних шарів дорожніх одягів жорсткого типу із прогнозованим комплексом експлуатаційних властивостей;

Предмет дослідження - закономірності деформування та руйнування бетонів в умовах згину, тріщиностійкість бетону як здатність чинити опір поширенню тріщин при статичному навантаженні, кількісні залежності для оцінювання, нормування та прогнозування тріщиностійкості бетону.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених у дисертації завдань застосовували методи механіки руйнування для дослідження тріщиностійкості бетонів, фізико-механічні випробування бетонів проводили із залученням методів, передбачених державними і міжнародними стандартами. Дослідження мікро- і мезоструктури бетону, фазового складу продуктів гідратації цементів здійснювали за допомогою фізико-хімічних методів аналізу: електронно-мікроскопічного, рентгенофазового, диференційно-термічного та ін. Встановлення неоднорідності та визначення надійності показників тріщиностійкості здійснювали із використанням методів лінеаризації та Монте-Карло. Обробку експериментальних результатів, визначення розрахункових значень параметрів тріщиностійкості проводили на основі ймовірносно-статистичних методів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше:

1. Розроблені наукові засади одержання дорожніх бетонів підвищеної тріщиностійкості, сутність яких полягає у розкритті та реалізації закономірностей розвитку процесів структуроутворення бетонів на мікро-, мезо- та макрорівнях з урахуванням положень механіки руйнування для оцінювання та прогнозування тріщиностійкості бетону.

2. Обгрунтовано критерій руйнування бетону при згині з позицій механіки руйнування як критичне значення прогину, що відповідає точці спадної вітки повністю рівноважної діаграми деформування, за якою починається нестійкий розвиток магістральної тріщини.

3. Запропоновано загальну енергетичну характеристику опору руйнуванню бетону - енергетичний потенціал тріщиностійкості (Дж/м 2) у вигляді питомого показника інтегралу узагальненої функції, що описує повністю рівноважну діаграму деформування бетону із тріщиною нормального відриву в координатах "навантаження - прогин" для нормування бетонів за критерієм тріщиностійкості.

4. Встановлено, що силові та енергетичні характеристики тріщиностійкості бетону є незалежними. Виявлено, що за критерієм енерговитрат на деформування та руйнування бетон із різною ефективністю працює на докритичній (за відсутності макротріщини) і закритичній стадії деформування (за наявності макротріщини). Запропоновано чотири категорії якісного та критерій кількісного оцінювання тріщиностійкості бетонів як відношення показника в'язкості руйнування бетону до його міцності на стиск.

Дістало подальший розвиток:

1. Розкриття закономірностей взаємозв'язку структури, міцності та тріщиностійкості з повністю рівноважними діаграмами деформування бетонів із тріщиною, які дають змогу якісно описати процеси руйнування бетонів і кількісно оцінити їх тріщиностійкість за силовими та енергетичними критеріями.

2. Встановлення закономірностей та кількісних залежностей процесів впливу технологічних чинників на силові та енергетичні характеристики бетонів, на основі яких розроблено технологію дорожніх бетонів підвищеної тріщиностійкості та обгрунтовано їх місце в конструкції дорожнього одягу.

3. Достовірні методи визначення неоднорідності показників тріщиностійкості, а також їх розрахункових значень із заданою надійністю з урахуванням статистичного розкиду результатів випробувань.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На базі сформульованих наукових засад та одержаних експериментальних даних розроблено склади бетонів дорожнього призначення підвищеної тріщиностійкості як інтегрального показника їх якості.

2. Запропоновано методику оцінювання тріщиностійкості бетону за енергетичним критерієм на стадії проектування складу, що дає змогу порівнювати конкуруючі варіанти та об'єктивно призначати його місце в конструкції дорожнього одягу.

3. Вперше отримано експериментальні дані силових та енергетичних характеристик тріщиностійкості важких бетонів на модифікованих композиційних цементах типу КЦ V/А з метою їх впровадження в практику будівництва дорожніх одягів.

4. За результатами досліджень розроблені Рекомендації з використання бетонів на модифікованих цементах для будівництва жорстких дорожніх одягів (видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2006), Рекомендації з укріплення грунтів і кам'яних матеріалів композиційними алюмосилікатними цементами з метою отримання довговічних конструкцій дорожніх одягів № РВ 2.7-218-21476215-517:2006 для Державної служби автомобільних доріг України (Укравтодор), Методичні вказівки з проектування складу дорожнього бетону підвищеної тріщиностійкості (видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2009).

5. Технологічна, економічна та соціальна доцільність використання дорожніх бетонів підвищеної тріщиностійкості для влаштування конструктивних шарів дорожніх одягів у ВАТ "Будівельне управління № 813", ВАТ "Південьзахідшляхбуд", БК "Комфортбуд-1", підтверджені узагальненими матеріально-технічними та техніко-економічними розрахунками.

6. Теоретичні, технологічні та методологічні розробки, наведені у дисертаційній роботі, використовуються у навчальному процесі при викладанні дисциплін "Бетони та будівельні розчини", "Дорожні та аеродромні покриття", "Сучасні технології виробництва бетонів і розчинів", "Матеріали та вироби для будівництва доріг" на кафедрі "Автомобільні шляхи" у Національному університеті "Львівська політехніка".

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану проблеми, науковому обґрунтуванні та формулюванні мети, завдань, основних напрямків дисертаційних досліджень.

Автору належить планування експериментальних робіт і забезпечення їх виконання, керівництво і безпосередня участь в експериментальних дослідженнях, обробка, інтерпретація та аналіз наукових результатів, узагальнення інформації та формулювання висновків. Здобувач приймав участь у створенні експериментальної установки та удосконаленні методики лабораторних досліджень тріщиностійкості бетону, у дослідно-промислових випробуваннях розроблених дорожніх бетонів, складанні рекомендацій. Частина робіт, в якій автор брав безпосередню участь, виконана за державним замовленням.

У наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належать теоретичні розробки, організація та участь у проведенні експериментальних робіт, оброблення та аналіз одержаних результатів.

Дисертація не вміщує матеріалів кандидатської дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи викладено та обговорено на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного університету "Львівська політехніка" (м. Львів, 1997-2008), міжнародних семінарах по моделюванню та оптимізації композитів (м. Одеса, 1997, 1998, 2007, 2008), галузевій науково-практичній конференції "Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку" (м. Київ, 1998 р.), на 5-й і 9-й міжнародних наукових конференціях "Current issues of civil and environmental engineering" (Польща, м. Жешув, 2000, 2004 рр.), на міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України" (м. Київ, НТУ, 2004 р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Композиційні матеріали підвищеної довговічності для будівництва" (м. Макіївка, 2004 р.), на 10-й міжнародній науковій конференції "State of art, trends of development and challenges in civil engineering" (Словаччина, м. Кошице, 2005 р.), на VII міжнародній науково-практичній конференції "Дни современного бетона" (Запоріжжя, 2005 р.), на 16-й міжнародній науковій конференції IBAUSIL (Німеччина, м. Веймар, 2006 р.), на міжнародній конференції "Alkali Activated Materials - Research, Production and Utilization" (Чеська республіка, м. Прага, 2007 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення" (м. Київ, ДерждорНДІ, 2006-2008 рр.), на VII міжнародному симпозіумі "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій" (Київ, 2007 р.), на V і VI міжнародних науково-практичних конференціях "Инновационные технологи жизненного цикла объектов жилищного, гражданського, промышленного и транспортного назначения" (Ялта, 2007-2008 рр.), на науково-технічному семінарі "Структурообразование, прочность и разрушение композиционных строительных материалов и конструкций" (Одеса, 2008 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 43 роботах, зокрема у монографії, з них 31 стаття у фахових виданнях, 10 - у доповідях на міжнародних і вітчизняних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і 7 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 327 сторінок, з них 257 сторінок основного тексту, містить 39 таблиць, 85 рисунків. Список використаних джерел складається з 315 найменувань на 34 сторінках, додатки - на 35 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, що вирішується у дисертаційній роботі, визначені мета, основні напрямки досліджень і шляхи їх розв'язання. Наведені найголовніші теоретичні положення та закономірності, одержані автором, які мають наукове та практичне значення.

Перший розділ дисертації присвячений аналітичному огляду наукових праць, опублікованих у вітчизняній та зарубіжній літературі з проблематики забезпечення тріщиностійкості цементного бетону з позицій механіки руйнування, що розглядає бетон як тіло з тріщинами, розмір яких є відповідає характерним неоднорідностям даного структурного рівня. Цементний бетон для будівництва основ і покриттів дорожніх одягів за умовами роботи, а відтак і за своїм складом, структурою та властивостями істотно відрізняється від інших видів важкого бетону для промислових, цивільних, гідротехнічних та інших споруд, що обумовлює необхідність розроблення технологічних рішень, які максимально враховують умови його укладання та експлуатації.

Аналіз літературних джерел, які присвячені дослідженню тріщиностійкості цементних бетонів із позицій механіки руйнування (Л.Т. Бережницький, В.М. Ентов, Ю.В. Зайцев, М. Каплан, Й.Й. Лучко, В.В. Панасюк, А.П. Пак, К.О. Пірадов, М.Г. Стащук, Л.П. Трапезніков), запровадженню оцінювання тріщиностійкості бетону за енергетичним критерієм (З. Базант, С.Д. Волков, Є.О. Гузєєв, Л.О. Сейланов, В.І. Шевченко), пошуку взаємозв'язку структурних характеристик бетону із тріщиностійкістю (Ю.М. Баженов, В.М. Вировий, І.М. Грушко, Дж. Глюклих, І. Еванс, Ю.В. Зайцев, П.Г. Комохов, Дж. Лотт, С.М. Леонович, К.О. Пірадов, Г.М. Первушін, В.І. Ягуст,), дає змогу на основі комплексного багаторівневого підходу до структури бетону обґрунтувати доцільність оцінювання здатності дорожнього бетону чинити опір розвитку тріщин за критерієм загальних енерговитрат на руйнування.

Як свідчать дані аналітичного огляду, тріщиностійкість бетону визначається значною кількістю чинників, трактування ролі яких різними дослідниками подекуди протилежне, що пов'язано, зокрема, із різноманітністю застосованих методик визначення характеристик тріщиностійкості та відсутністю єдиного інтегрального показника для її оцінювання, який відображав би фізичну сутність процесу руйнування бетону. Сьогодні не має даних із тріщиностійкості бетонів на цементах зі значним вмістом активних мінеральних добавок, зокрема, композиційних.

Аналіз сучасних тенденцій у галузі технології бетону (П.В. Кривенко, Р.Ф. Рунова, Л.О. Шейніч, К.К. Пушкарьова, М.А. Саницький, Ю.І. Орловський, Х.С. Соболь, О.В. Ушеров-Маршак, С.І. Федоркін, В.А. Вознесенський, І.В. Барабаш, С.В. Коваль, Л.Й. Дворкін, В.Л. Чернявський, В.М. Дерев'янко, О.О. Шишкін), а також закономірностей розвитку тріщин у бетонах (В.М. Вировий, В.С. Дорофєєв, В.І. Соломатов, І.М. Грушко) дозволяє зробити висновок про можливість підвищення тріщиностійкості бетону в доексплуатаційній стадії технологічними чинниками. Для зміни умов розвитку тріщини в бетоні висувається наукова гіпотеза про можливість стримування її зростання на рівні мікроструктури шляхом створення оптимальних структур у цементній матриці і гальмування поширення тріщини на рівні мезо- і макроструктури бетону за рахунок раціонального підбору кількісного та якісного складу дрібного і крупного заповнювачів. Це вимагає поглиблення уявлень про закономірності взаємозв'язку складу, структури і тріщиностійкості дорожнього бетону, подальшого розвитку енергетичного критерію його руйнування з позицій механіки руйнування.

Для реалізації гіпотези було визначено мету та завдання дослідження.

У другому розділі наведено теоретичне та експериментальне обґрунтування вибору вихідних матеріалів для приготування бетонних сумішей та їх характеристики. Відповідно до мети та поставлених задач розроблено стратегію та схему досліджень, що відображена у загальній блок-схемі досліджень. Детально описано експериментальну установку та удосконалену методику випробування тріщиностійкості бетону відповідно до рекомендацій ГОСТ 29167 "Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении". Характеристики тріщиностійкості бетону визначали при рівноважних механічних випробуваннях із контрольованим режимом руху тріщини за схемою триточкового згину із записом і комп'ютерною обробкою повної діаграми "навантаження - прогин" при згині з ініційованою тріщиною нормального відриву.

Експериментальні дослідження фізико-механічних і будівельно-технічних властивостей бетону виконані відповідно до вимог чинних стандартів із використанням повірених засобів вимірювань. Для дослідження фазового складу та мікроструктури бетону використано комплекс фізико-хімічних методів: рентгенофазовий, диференційно-термічний, ІЧ спектроскопії. Розвиток тріщин фіксували за допомогою методу растрової електронної мікроскопії. Проведення експериментів виконували із застосуванням методів математичного планування експерименту, оптимізацію складу бетонів здійснювали шляхом рішення задачі нелінійного програмування. Ймовірнісно-статистичні методи використано для обробки експериментальних результатів, оцінювання неоднорідності та визначення розрахункових значень характеристик тріщиностійкості із заданим рівнем надійності.

Обгрунтовано техніко-економічну доцільність використання цементів із активними мінеральними добавками (АМД) різної природи активності (доменний гранульований шлак, зола-виносу, ефузивні породи) при приготуванні бетонних сумішей для такої матеріаломісткої галузі будівництва, як дорожнє, а також ефективність застосування сульфатно-лужної активації композиційних цементів для підвищення їх активності.

У третьому розділі на основі теоретичного аналізу закономірностей розвитку процесів структуроутворення бетону від субмікро- до макрорівня та синтезу заданих властивостей встановлено чинники впливу на його тріщиностійкість і розроблено модель формування тріщиностійкості бетону в доексплуатаційній стадії, як сукупність чинників, що у тісній взаємодії спричиняють зростання або падіння даного показника.

В основу моделі покладені припущення про циклічну організацію структури бетону, а також про неперервне зростання тріщини через різні структурні неоднорідності від цементної матриці через цементно-піщаний розчин і бетон. Спільною ознакою циклів організації структури бетону від субмікрорівня до макрорівня є гетерогенність, наявність внутрішніх поверхонь поділу, дефектів у вигляді пор і тріщин, певна автономність процесів деформування, а також постійна трансформація структури і властивостей відповідно до умов зовнішніх впливів. Цикл на субмікрорівні - це пакет гелю гідросилікатів кальцію (ГСК) із розміром 5 мкм, на мікрорівні - зросток гідратів і негідратованих зерен клінкеру, об'єднаних гелем ГСК (500 мкм), на мезорівні - зерно піску в оболонці цементного каменю (10 мм), на макрорівні - зерно щебеню в оболонці цементно-піщаного розчину (50 мм). На підставі запропонованої моделі отримуємо змогу спрямовано формувати тріщиностійкість бетону технологічними чинниками.

Експериментальними дослідженнями процесів деформування дорожніх бетонів при згині встановлено, що відображенням взаємозв'язку структури, міцності та тріщиностійкості є повністю рівноважні діаграми деформування (ПРДД) бетонів із штучно створеною тріщиною, аналіз яких дав змогу встановити, що за критерієм енерговитрат на деформування бетон із різною ефективністю працює за відсутності і наявності макротріщини. Це пояснюється тим, що момент зрушування макротріщини, переважно, визначається характеристиками субмікро- і мікроструктури (склад і основність новоутворень, морфологія кристалів, тип зв'язків, характер пористості, співвідношення гелевидної і кристалічної фаз), а її розвиток до критичної довжини - характеристиками мезо- і макроструктури (стан поверхонь поділу між фазами і компонентами бетону).

На основі даних растрової електронної мікроскопії встановлено, що у період формування структури на мікрорівні бетону зароджуються тріщини. Водночас, такі особливості мікроструктури як підвищений вміст високодисперсних низькоосновних гідросилікатів кальцію, значно менша кількість незв'язаного портландиту, армуюча дія AFt і AFm - фаз, підвищена мікропористість забезпечують цементним матрицям на модифікованих композиційних цементах перевагу за показниками тріщиностійкості порівняно з бездобавочним портландцементом.

Аналіз ПРДД цементних матриць (Ц:П=1:0), дрібнозернистих бетонів (Ц:П=1:3), цементогрунтів (Ц:П=1:8) і важких бетонів (Ц:П:Щ:В=1:1,33:2,05:0,38) виявив, що площа під діаграмами деформування, а отже, і робота, що витрачається на деформування і руйнування матеріалів, незалежно від речовинного складу цементу зростає у такій послідовності: цементогрунт < цементна матриця < дрібнозернистий бетон < важкий бетон.

Наповнення цементної матриці дрібним і крупним заповнювачами підвищує тріщиностійкість матеріалу завдяки збільшенню ступеня неоднорідності структури, а відтак і зростанню енергії руйнування. Досліджено характеристики пористості, деформативності та тріщиностійкості важких крупнозернистих бетонів, оптимізованих складів за критерієм міцності на розтяг при згині. Приріст показника загальних питомих енерговитрат на руйнування важких бетонів порівняно з цементними матрицями становить 186; 284 і 294 % відповідно при застосуванні КЦ V/А-300, КЦ V/А-400 і ПЦ I-400.

Вирішальну роль у процесі руйнування на рівні мезоструктури відіграють контактні зони цементного каменю і зерен піску. Так, для розглянутих композиційних цементів збільшення адгезії цементного каменю до поверхонь дрібного заповнювача завдяки сульфатно-лужній активації мінеральних поверхонь і хемосорбційній взаємодії компонентів забезпечує формування підвищеної тріщиностійкості на рівні мезоструктури матеріалів. Для дрібнозернистих бетонів відбувається зростання показника загальних питомих енерговитрат на руйнування порівняно з цементними матрицями на 116; 242 і 149 % відповідно при застосуванні КЦ V/А-300, КЦ V/А-400 і ПЦ I-400, для цементогрунтів у зв'язку з низькою когезійною міцністю спостерігається падіння даного показника на 78; 58 і 68 % відповідно.

Підтверджено, що залежності в координатах "навантаження - прогин" мають подібний характер для різних рівнів структури бетону, проте спостерігаються суттєві відмінності у діаграмах деформування бетонів, обумовлені особливостями їх мікро- і макроструктури. Виявлено значний вплив мікроструктури бетону на конфігурацію діаграми деформування, а відтак і на характеристики тріщиностійкості бетону, що суперечить твердженням про те, що тріщиностійкість важких бетонів не залежить від виду розчинової матриці, а визначається тільки відносним вмістом щебеню.

Як показали проведені дослідження, координати точки зламу висхідної вітки діаграми (Fc,Vc) істотно залежать від мікроструктури бетону, яка обумовлюється речовинним складом цементу. За точкою зламу можна виділити ділянку 2-3, на якій спостерігається нестійкий розвиток макротріщини після її зрушування. Точка 3, координати якої (Fcc,Vcc) відповідають зміні кривизни спадної вітки з опуклої на вгнуту, є початком стійкого розвитку макротріщини. Ділянка (3-4) відповідає стійкому розвитку макротріщини до критичного значення, досягнення якого на діаграмі можна ідентифікувати як точку квадратної гіперболи з найменшим радіусом кривизни (4). Цю точку спадної вітки з позицій механіки руйнування можна розглядати як остаточну точку на діаграмі, координати якої стають відповідними досягненню магістральною тріщиною критичного розміру і вичерпуванню несучої здатності бетонного елемента. За точкою 4 на спадній вітці діаграми починається нестійке зростання магістральної тріщини, яке закінчується дефрагментацією бетонного зразка, що можна вважати критерієм руйнування. Експериментальними дослідженнями встановлено, що для дрібнозернистих бетонів критичний прогин становить (300-400).10-6 м, для важких крупнозернистих бетонів - (400-500) .10-6 м.

Теоретичний аналіз дав змогу зробити висновок про можливість опису ПРДД комбінацією степеневої та експоненційної функцій за допомогою наступного виразу:

(1)

Параметри , які фігурують у цій залежності, знаходимо залежно від координат характерних точок діаграми. Остаточний вираз для функції матиме вигляд:

(2)

Інтеграл такої функції відповідає загальним енерговитратам, що витрачаються на деформування та руйнування бетону (Дж), а його питомий показник (відношення до площі поперечного перерізу елемента) запропоновано як інтегральну енергетичну характеристику опору руйнуванню бетону - енергетичний потенціал тріщиностійкості (Дж/м 2). Цей показник пропонується використовувати для нормування дорожніх бетонів за критерієм тріщиностійкості. Значення параметрів А, В, С залежать від координат характерних точок діаграми деформування, які своєю чергою, обумовлюються особливостями мікро- і макроструктури бетону, а відтак технологічними чинниками.

Отже, зміною структурних характеристик цементної матриці та введенням у матрицю дрібного і крупного заповнювачів досягається зростання показника загальних енерговитрат на руйнування бетону, що підтверджує гіпотезу щодо можливостей підвищення тріщиностійкості бетону.

У четвертому розділі на підставі розробленої моделі формування тріщиностійкості бетону з урахуванням вимог і рекомендацій нормативних документів щодо складу і структури дорожніх бетонів обґрунтовано вибір низки чинників, які здійснюють вирішальний вплив на формування його здатності чинити опір розвитку тріщин, а саме: умови тверднення у ранньому віці, речовинний склад і витрата цементу, модифікація цементу, об'ємний вміст крупного заповнювача, гранулометричний склад заповнювачів, період попередньої витримки бетонної суміші перед формуванням. На підставі аналізу ПРДД за критерієм енерговитрат на деформування та руйнування виявлено закономірності впливу кожного технологічного чинника на показники тріщиностійкості бетону.

Встановлено, що застосування цементів різного речовинного складу (вміст портландцементного клінкеру від 0 до 100 мас.%) і фізико-хімічна активація цементів дозволяють регулювати показники міцності, деформативності та тріщиностійкості бетону в широкому діапазоні значень при сталих ключових показниках складу бетону (табл. 1). Як свідчать дані табл. 1, для забезпечення найвищих показників міцності на стиск (R), модуля пружності та критичних коефіцієнтів інтенсивності напружень (Ki, Kс) слід використовувати бездобавочний портландцемент (ПЦ I-500). Введення у склад цементу доменного гранульованого шлаку (ПЦ II-400), природної і штучної пуцолани (КЦ V/А), сульфатно-лужна активація цементів підвищують неоднорідність мікроструктури бетону, здатність до в'язко-пластичного деформування, зменшують граничні деформації усадки (еу), а відтак підвищують енергетичні характеристики тріщиностійкості (Wi, Wl, Wce, Gf).

Таблиця 1 Характеристики міцності, деформативності та тріщиностійкості бетонів (1:1,56:1,81:0,4) - 120 діб

Тип цементу	R, МПа	еу.10-5	Wi?10-2, Дж	Wl?10-2, Дж	Wce?10-2, Дж	Gf, Дж/м 2	Ki, МПа?м 1/2	Kс, МПа?м 1/2
ПЦ І-500	54	25	34,86	86,57	27,56	202,38	0,91	0,82
ПЦ ІІ-400	47	22	32,56	87,23	26,25	199,65	0,86	0,76
КЦ V/А-400	49	19	32,90	79,98	18,35	188,13	0,89	0,70
КЦ V/А-300	42	12	30,75	88,19	24,81	198,23	0,79	0,67
ШЛВ 0-500	64	29	35,14	59,78	17,26	158,20	0,81	0,56

Структурні особливості цементних матриць на основі цементів КЦ V/А-400 і ШЛВ 0-500 обумовлюють крихкий характер руйнування бетонів на їх основі, і навпаки, для бетону на КЦ V/А-300 із вмістом клінкеру 50 мас. % притаманна найбільша здатність чинити опір розвитку макротріщини на закритичній стадії деформування (Wl).

Збільшення витрати цементу у бетонах у діапазоні 200-500 кг/м 3 спричиняє зростання міцності на стиск і посилення крихкого характеру руйнування, водночас, істотний приріст значень міцності на розтяг при згині та характеристик тріщиностійкості спостерігається до рівня 425 кг/м 3, перевищення якого призводить до незначного падіння (бетони на композиційних цементах) або стабілізації (бетон на портландцементі) показників. При роботі бетону із тріщиною за критерієм в'язкості руйнування перевагу мають бетони з витратою цементу в діапазоні 425-500 кг/м 3.

Вплив об'ємного вмісту щебеню на силові та енергетичні характеристики тріщиностійкості бетону досліджували шляхом зміни коефіцієнта розсунення зерен щебеню в діапазоні 1,2-1,8. Встановлено, що в'язкість руйнування бетонів на бездобавочному портландцементі практично не залежить від об'ємного вмісту щебеню в бетоні, а енерговитрати на руйнування збільшуються із зменшенням його кількості.

Для бетонів на композиційних цементах спостерігається оптимальний вміст щебеню за силовим критерієм тріщиностійкості при коефіцієнті розсунення б=1,4-1,6, а енерговитрати на руйнування зростають із збільшенням його кількості. Сульфатно-лужна активація композиційних цементів, забезпечуючи хімічну взаємодію на поверхнях поділу, сприяє зміцненню контактних зон, що робить крупний заповнювач перешкодою для просування макротріщини і збільшує енерговитрати на локальне статичне деформування.

Для виявлення впливу якісного складу заповнювачів на тріщиностійкість бетону використано європейський досвід проектування складу суміші заповнювачів для важкого бетону, що відображений у вимогах стандартів DIN 1045 і EN 206-1:2000 на важкий бетон. Застосування у бетонних сумішах багатофракційного заповнювача (БФЗ) кубовидної форми замість двофракційного обумовив зростання показників міцності у 1,2 рази, проте практично не збільшив тріщиностійкість бетону у зв'язку зі збільшенням кількості дефектів у вигляді пор і тріщин у контактних зонах в одиниці об'єму бетону.

Приріст значень статичного критичного коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) і питомих енерговитрат на статичне руйнування при переході до БФЗ складає 5%.

Результати сумісного аналізу ПРДД, показників міцності на стиск і характеристик тріщиностійкості бетонів на композиційних цементах, активованих КХД на основі натрію сульфату та нафталінформальдегідів, дають змогу заперечити негативний вплив попереднього розігрівання бетонної суміші за рахунок кліматичного чинника за умови унеможливлення втрат води, розглядаючи це як активізацію процесів структуроутворення за аналогією з використанням "гарячого" бетону в традиційній технології бетонних і залізобетонних виробів. Це пов'язано з активізацією дії КХД, що обумовлює відмінності у мікроструктурі бетону і характері взаємодії цементної матриці із заповнювачами.

Умови тверднення бетону впливають на формування його тріщиностійкості в доексплуатаційній стадії завдяки особливостям характеристик порової структури бетону та різній інтенсивності процесів мікротріщиноутворення внаслідок власних об'ємних деформацій. На докритичній стадії деформування перевагу має бетон, який тверднув протягом 120 діб у нормальних умовах, що пов'язано із формуванням структури, яка забезпечує максимальні пружні властивості бетону.

На стадії розповсюдження макротріщини краще працює бетон, який тверднув у комбінованих умовах, що пояснюється релаксацією напружень внаслідок протікання власних об'ємних деформацій у вже сформованій структурі бетону і здатністю до пластичного деформування. Водна складова у змінних умовах тверднення бетону обумовлює його, переважно, пружну роботу на докритичній стадіїї деформування та ефективну роботу у закритичній стадії внаслідок обмеження власних об'ємних деформацій і процесу мікротріщиноутворення протягом усього періоду тверднення.

Мікротріщиноутворення, що супроводжує деформації усадки у несформованій структурі бетону, який тверднув протягом усього періоду у повітряно-сухих умовах, обумовлює найнижчі показники силових та енергетичних характеристик тріщиностійкості.

На стадії експлуатації зміна температурно-вологісних умов призводить до порушення стану гігрометричної рівноваги бетону з довкіллям, виникнення градієнтів деформацій і напружень. Прикладання експлуатаційного навантаження не дозволяє бетону поступово адаптуватися до зміни зовнішніх умов і спричиняє зменшення його тріщиностійкості.

Отже, дослідженнями підтверджено можливість спрямовано підвищувати опір бетону розвитку тріщин на всіх рівнях його структури за рахунок технологічних чинників.

П'ятий розділ присвячено обгрунтуванню критерію для оцінювання тріщиностійкості бетону, розробленню алгоритму для оцінювання неоднорідності та нормування характеристик тріщиностійкості із заданою надійністю, отриманню функції прогнозування їх зміни в експлуатаційній стадії.

У результаті аналізу експериментальних результатів дослідження тріщиностійкості понад 50 серій важкого бетону 14 базових складів встановлено, що існує кореляція між в'язкістю руйнування і міцністю на розтяг при згині, а відносна тріщиностійкість бетону як у докритичній стадії деформування, так і на стадії поширення макротріщини зменшується за лінійною залежністю зі зростанням його міцності на стиск. На підставі цього обґрунтовано критерій для оцінювання тріщиностійкості бетону як відношення в'язкості руйнування до міцності бетону на стиск із порівнянням ефективності його роботи за відсутності та наявності макротріщини.

Оскільки показники тріщиностійкості є розрахунковими величинами, що визначаються шляхом непрямих вимірювань, за допомогою методів лінеаризації та статистичних випробувань було вирішено задачу оцінювання їхньої неоднорідності для визначення розрахункових проектних значень шляхом знаходження функцій щільності розподілу та надійності отримання критичних КІН і дослідження впливу розкиду вхідних параметрів на його значення.

Встановлено, що на коефіцієнт варіації критичного КІН вплив вхідних параметрів (статичного модуля пружності та питомих енерговитрат на докритичній стадії деформування) майже однаковий, тому його функція розподілу при варіації вхідних параметрів до 20% близька до нормального розподілу. При коефіцієнті варіації більше 20% слід враховувати несиметричність щільності розподілу критичного КІН.

Вирішено завдання оцінювання надійності показників тріщиностійкості важких бетонів. На основі розробленого алгоритму знайдено вираз функції щільності розподілу статичного критичного КІН бетону та побудовано її графік

, (3)

де Gi - значення питомих енерговитрат на статичне руйнування до моменту початку руху магістральної тріщини, Gcp - середнє значення питомих енерговитрат на статичне руйнування, SG - середньоквадратичне відхилення, Е - статичний модуль пружності бетону.

Функція надійності отримання статичного критичного КІН бетону, що характеризує ймовірність перевищення заданого значення критичного КІН визначається за формулою наступного виразу

(4)

Результати статистичного моделювання у відповідності до запропонованого алгоритму дали змогу визначити розрахункові значення критичних КІН для бетонів на цементах різних типів за речовинним складом (табл. 2).

Таблиця 2 Показники критичного КІН бетонів залежно від рівня надійності конструкцій і типу цементу

Рівень надійності	Значення статичного критичного КІН для бетону на цементі
	КЦ V/А-300	КЦ V/А-400	ПЦ I-400
0,50	0,740	0,720	0,793
0,80	0,664	0,683	0,713
0,90	0,620	0,662	0,667
0,95	0,582	0,645	0,626

Досліджено кінетику зміни характеристик тріщиностійкості при зберіганні бетону у повітряно-сухих умовах (t=16±3°С, W=60…85%) до 5-ти річного віку. Спостерігається постійний приріст силових та енергетичних характеристик тріщиностійкості.

Розроблено схему, яка відображає процес зміни характеристик тріщиностійкості бетону дорожнього покриття в експлуатаційній стадії, зниження якої обумовлюють експлуатаційні навантаження, природно-кліматичні фактори, агресивні середовища і корозійні явища. Для прогнозування залишкового ресурсу тріщиностійкості бетону запропоновано дрібностепеневу функцію наступного виразу

 (4)

де - розрахунковий показник в'язкості руйнування для даного класу і категорії тріщиностійкості бетону, а також рівня надійності конструкції; ф - термін експлуатації дорожнього покриття в роках. Значення показника степені к і коефіцієнта а залежать від рівня надійності конструкції та прогнозованого терміну експлуатації покриття до капітального ремонту.

Розроблений алгоритм дозволив визначити розрахункові показники характеристик тріщиностійкості залежно від рівня надійності дорожньої конструкції, а запропонований критерій дає змогу оцінити категорію тріщиностійкості бетону на стадії її проектування.

Шостий розділ присвячений розробленню рекомендацій з проектування складів дорожніх бетонів підвищеної тріщиностійкості та їх впровадження при будівництві дорожніх одягів, вивченню основних фізико-механічних і будівельно-технічних властивостей дорожніх бетонів різного призначення.

На основі експериментальних результатів дослідження впливу технологічних чинників на показники тріщиностійкості дорожнього бетону розроблено рекомендації з проектування складу бетону підвищеної тріщиностійкості. Для оцінювання енергетичного потенціалу тріщиностійкості на стадії проектування складу бетону за експериментальними діаграмами деформування розраховано значення коефіцієнтів А, В, С функції (1) для бетонів на ПЦ I-400, КЦ V/А-400 і КЦ V/А-300 із витратою цементу в діапазоні 200-500 кг/м 3 і коефіцієнтом розсунення від 1,2 до 1,8, які подано у табличній формі. Розходження між показниками енергетичного потенціалу тріщиностійкості, які визначено на основі розрахунку за табличними даними на стадії проектування складу і шляхом оцінювання площі експериментально отриманих ПРДД бетонів запроектованих складів, становить 8-15%, що свідчить про ефективність і достовірність запропонованої методики.

Склади бетонів та їх основні фізико-механічні та будівельно-технічні властивості для влаштування конструктивних шарів дорожнього одягу автомобільної дороги категорії I-а наведено у табл. 3. Для покриття запропоновано склад бетону на основі цементу ПЦ I-500, для нижнього шару двошарового покриття - бетон на основі КЦ V/А-400, для основи під асфальтобетонне покриття - бетон на КЦ V/А-300. Бетонні суміші (марка за легковкладальністю Р 1) на основі композиційних цементів активували КХД на основі натрію сульфату, Addiment BV3 (КЦ V/ А-400) і Релаксол-Норма (КЦ V/А-300), на бездобавочному портландцементі - суперпластифікатором Sikament. За показниками якості, що нормуються, бетони запроектованих складів відповідають вимогам ДБН В.2.3- 4 - 2007 "Автомобільні дороги" і характеризуються підвищеною тріщиностійкістю.

...