Размещено на http://allbest.ru

автореферат

Модифіковані бетони для відновлення несучої здатності конструкцій споруд спеціального призначення

загальна характеристика роботи

бетон залізобетонний конструкція модифікування

Актуальність теми. Тривалий термін експлуатації бетонних і залізобетонних конструкцій різноманітних будівель і споруд обумовлює необхідність підтримки їх у робочому стані. На будівлі та споруди спеціального призначення впливають як постійні і перемінні навантаження, так і експлуатаційне середовище, що призводить до часткового руйнування конструкцій, наслідком чого є втрата несучої здатності. Особливо це стосується процесів руйнування матеріалу відповідальних конструкцій мостів, димарів, каркасів будівель, стін та інших споруд. Ремонт таких споруд є трудомістким та дорогим процесом і вимагає спеціальних технічних рішень у кожному конкретному випадку.

Традиційні способи ремонту полягають або в повній заміні пошкоджених конструкцій, або в улаштуванні різного роду обойм, властивості яких нерідко несумісні з характеристиками матеріалу відновлюваного елемента. Крім того, відомі технології не дозволяють здійснювати ремонтні роботи без зупинки експлуатації об'єктів.

У Дніпропетровській будівельній компанії «Регіон» розроблено принципово нову технологію відновлення несучої здатності конструкцій споруд спеціального призначення шляхом застосування модифікованих бетонів. Це дозволяє також здійснювати захист конструкцій від впливу атмосферних і агресивних технологічних середовищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані відповідно до державної науково-дослідної роботи на замовлення Придніпровської залізниці № 1104U010701 «Дослідження високорухливих бетонних сумішей і розробка рекомендацій щодо їхнього використання для ремонту підводних частин бетонних транспортних споруд», 2004-2005 рр. Автор брав участь в експериментально-теоретичних дослідженнях складів модифікованих бетонних сумішей і у розробці технології нанесення ремонтного шару бетонної суміші на відновлювану поверхню конструкцій.

Метою дослідження є розробка складів бетонів з підвищеними експлуатаційними характеристиками, що призначені для відновлення несучої здатності залізобетонних конструкцій споруд спеціального призначення, на основі встановлення закономірностей формування структури цементної матриці бетону, модифікованої карбоксилатним дивінілстирольним латексом і диетиленглікольаеросилом.

Задачі дослідження:

-оптимізувати склад цементної матриці бетону із застосуванням хімічно активних полімермінеральних компонентів;

-теоретично обґрунтувати й оптимізувати фізико-хімічні умови формування структури модифікованої цементної матриці бетонів з підвищеними експлуатаційними властивостями;

-дослідити закономірності формування просторової структури модифікованої цементної матриці, що забезпечує підвищення експлуатаційних властивостей бетону;

-дослідити структурно-реологічні властивості модифікованої цементної матриці бетону;

-визначити міцність зчеплення арматури з модифікованим бетоном;

-дослідити експлуатаційні властивості модифікованого бетону, призначеного для відновлення несучої здатності залізобетонних конструкцій.

Предмет дослідження - закономірності формування структури і властивостей цементної матриці, модифікованої хімічно активними полімінеральними компонентами.

Об'єкт дослідження - модифіковані бетони для відновлення несучої здатності конструкцій споруд спеціального призначення.

Методи дослідження. У дослідженнях використані сучасні ймовірносно-статистичні й кореляційно-регресійні методи. Дослідження процесів структуроутворення модифікованої цементної матриці бетону виконані за допомогою рентгенофазового й диференційно-термічного аналізу, а також інфрачервоної спектроскопії. Аналіз структурних параметрів цементного каменю й бетону здійснювався за методом адсорбції пар води. Експлуатаційні властивості бетону досліджувалися стандартними й спеціальними методами.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- розкрито механізм модифікуючої дії диетиленглікольаеросилу (ДЕГА) на технологічні властивості цементної матриці бетону, що полягає у впливі ДЕГА на швидкість гідратації клінкерних фаз цементу; при цьому побудова просторової пластичної структури дисперсії здійснюється в умовах підвищених значень електрокінетичного потенціалу поверхні контактуючих часток, що полегшують їх взаємоковзання в динамічних умовах і швидке утворення орієнтованої просторової сітки в статичному стані;

-встановлено, що введення карбоксилатного дивінілстирольного латексу до складу модифікованої цементної системи змінює характер надмолекулярних структур: при оптимальному наповненні глобули зменшуються в розмірах, запобігаючи фазовій поверхневій дифузії, що сприяє підвищенню водонепроникності модифікованого бетону;

-встановлено, що при температурах 20-50^оС полімерні частки латексу своїми функціональними групами взаємодіють з поверхневими органогруппами високодисперсного кремнезему, внаслідок чого підвищується активність клінкерних силікатних мінералів і гідросилікатних новоутворень, сприяючи зростанню міцності цементної матриці за рахунок активації аеросилом процесу тверднення в'яжучої речовини;

-доведено, що макромолекули карбоксилатного дивінілстирольного латексу, виступаючи в якості ПАР, змінюють релаксаційні процеси, сприяють створенню менш напружених і дефектних структур і запобігають виникненню фазової дифузії; утворення моношару ПАР на поверхні аеросилу призводить до виникнення в контакті диетиленгликоль - аеросил рухливих (менш жорстких) зв'язків, які легко регенеруються, що позитивно позначається на адгезії полімера до поверхні мікронаповнювача.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технологію приготування бетонних сумішей, призначених для відновлення несучої здатності залізобетонних конструкцій споруд спеціального призначення.

Особливістю розробленої технології бетону на модифікованій цементній матриці є введення активних компонентів, дія яких полягає у хімічній взаємодії з бетоном ремонтуємої конструкції шляхом формування у місцях контакту структурних зв'язків, які забезпечують відновлення експлуатаційних характеристик конструкцій і їхній захист від впливу агресивних середовищ.

Дослідно-промислова апробація розробленої технології здійснена на об'єктах ВАТ «Нижньодніпровський трубопрокатний завод» шляхом відновлення несучої здатності конструкцій. Економічний ефект склав 36540 грн. у цінах 2005 р.

Особистий внесок здобувача полягає: у розробці складів і технології виробництва модифікованої бетонної суміші з підвищеними експлуатаційними характеристиками, призначеної для відновлення несучої здатності залізобетонних конструкцій спеціального призначення; у встановленні закономірностей структуроутворення модифікованої цементної матриці бетону; у проведенні експериментальних досліджень і теоретичному обґрунтуванні отриманих результатів.

Апробація дисертаційної роботи. Результати досліджень доповідалися на науково-практичному семінарі «Теорія і практика цементів і бетонів (м. Київ, 2005 р.), II науково-технічній конференції «Енергозбереження у будівництві» (м. Чернівці, 2006 р.), II міжнародній науково-технічній конференції «Математичні моделі процесів у будівництві» (м. Луганськ, 2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені у восьми статтях (три статті написані одноосібно) у збірниках наукових праць, що входять до переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 158 сторінках основної частини тексту і складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 213 найменувань, двох додатків на пяти сторінках і містить 20 таблиць та 28 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, наведені положення наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі виконано критичний аналіз сучасних способів відновлення експлуатаційних властивостей залізобетонних конструкцій із залученням різноманітних матеріалів. заміна пошкоджених елементів конструкцій найчастіше неможлива з технічних причин. Проведення ремонту з застосуванням традиційних бетонних сумішей у багатьох випадках не призводить до повного відновлення експлуатаційних характеристик конструкцій внаслідок недостатньої адгезії ремонтного шару до поверхні конструкції. Для традиційних технологій характерна висока матеріалоємність, до того ж вони не дозволяють здійснювати ремонтні роботи без зупинки технологічного процесу.

Як показує практика, відновлення несучої здатності бетонних і залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних середовищах, є найбільш специфічним на відміну від сталевих, дерев'яних і інших конструкцій. У сучасних умовах найбільш часто їхнє відновлення відбувається з використанням традиційних бетонів. Однак, традиційні бетони не дозволяють забезпечити необхідну несучу здатність відновлюваних конструкцій. Відомо, що основним носієм експлуатаційних характеристик бетону є цементна матриця. Тому одним з основних напрямків досліджень була оптимізація її складу і структури.

Вивченню фазового складу і морфології гідратних новоутворень, що формуються в різних умовах тверднення цементних бетонів, присвячені праці В.І. Бабушкіна, П.І. Боженова, Ю.М. Бутта, В.М. Вирового, К.Е. Горяйнова, П.В. Кривенка, С.О. Миронова, О.П. Мчедлова-Петросяна, Дж. Калоусека, У. Людвіга, Р. Ріхартца, Р.Ф. Рунової, Х.Ф.У. Тейлора, В.Л. Чернявського, які встановили, що для забезпечення максимальної міцності цементної матриці необхідно утворення гідратованих низькоосновних гідросилікатів кальцію.

Проведеними дослідженнями встановлено, що виключення негативного впливу умов тверднення на експлуатаційні властивості бетону, призначеного для відновлення несучої здатності конструкцій, можливо хімічним модифікуванням цементної матриці бетону полімерними і мінеральними компонентами, що беруть участь в утворенні цементної матриці. При цьому важливо використовувати одночасну полімеризацію двох або більше мономерів, що призводить до їхньої сополімеризації. За цих умов поєднуються найбільш цінні властивості різних мономерів і змінюються в широких межах властивості кінцевого продукту, підвищуючи стійкість бетону при впливі агресивних реагентів, а також поліпшуючи оброблюваність у залежності від рівня вимог до бетону. Органічні сополімери відрізняються високою стійкістю до розчинення і стійкістю проти впливу води.

Вирішальне значення має зменшення структурної неоднорідності і зниження внутрішніх напружень у цементній матриці і бетоні шляхом її модифікування полімерними компонентами в комплексі з мінеральним наповнювачем з метою спрямованого кристалоутворення гідратованих новоутворень.

На підставі проведеного аналізу особливостей властивостей різних полімерних добавок висунута наступна гіпотеза дослідження.

Як модифікатор структури цементної матриці бетону необхідно використати сполучення таких полімерів і мінеральних речовин, дія яких ґрунтувалася б на принципі синергізму при хімічній взаємодії з мінералами портландцементного клінкера, що дозволить упорядкувати просторову структуру цементної матриці бетону.

Передбачається, що введення до складу цементної системи полімерних модифікаторів разом з мінеральним мікронаповнювачем дозволить виключити вплив агресивних умов експлуатації конструкцій на міцність, деформативність та інші експлуатаційні властивості цементної матриці ремонтного бетону.

У другому розділі наведено основні характеристики матеріалів та методи досліджень. З метою з'ясування впливу різних факторів на процеси структуроутворення модифікованої цементної матриці бетону застосовувались різні за мінералогічним складом портландцементи. полімермінеральний модифікатор диетиленглікольаеросил (ДЕГА) одержано синтезом високодисперсного гідроксильованого аеросилу в присутності диетиленгліколя. В якості пластифікуючого компоненту у складі модифікатора використано карбоксилатний дивінілстирольний латекс.

Дослідження процесів структуроутворення модифікованої цементної матриці бетону здійснювали як стандартними, так і спеціальними методами. Використовували рентгенофазовий, диференційно-термічний, мікроскопічний методи та інфрачервону спектроскопію. Визначення міцнісних та деформативних властивостей бетонів здійснено з використанням тензометричних методів.

Третій розділ містить результати досліджень, проведених з метою визначення особливостей механізму гідратації та структуроутворення модифікованої цементної матриці бетону в порівнянні з цементним каменем традиційного бетону.

При турбулентному перемішуванні диетиленгліколю з поліетиленглікольаеросилом (ПГВФ) отримано диетиленглікольаеросил (ДЕГА), частки якого несуть органічне покриття складу [- O - (CH₂)₂ - O - (CH₂)₂ - OH]_n , з'єднане з атомами кремнію х за рахунок хемосорбції. Органоаеросил утворюється при заміщенні силанольних груп поверхні органічними функціональними групами. Органоаеросили являють собою непористі високодисперсні препарати SiО₂ аморфної будови з гідроксильним, модифікованим органогрупами, поверхневим покривом. При модифікуванні ПГВФ диетиленгліколем збільшується дисперсність часток, питома поверхня сягає 1500 м²/кг.

Встановлена зміна властивостей полімера в міжфазному шарі пояснюється утворенням контактних зв'язків фізичної і хімічної природи між окремими атомами і групами атомів полімерних ланцюгів і поверхні високодисперсних мінеральних часток твердої фази. Характер і сила взаємодії в контактній зоні залежить від активності портландцементу і ступеня модифікування мікронаповнювача.

наповнену цементну матрицю розглядали як трьохелементну, а саме - мінеральна складова-міжфазний шар-полімер. Міжфазний шар неоднорідний за своїм складом і не має чітких границь. До складу міжфазного шару входить адсорбційний шар полімеру і поверхневий шар ПГВФ, що змінився під дією полімеру. Характер і товщина міжфазного шару визначається активністю, кількістю і питомою поверхнею мінеральної дисперсної фази. Виникнення міжфазного шару навколо її часток обумовлено появою сил міжмолекулярної взаємодії на межі розділу фаз, а також дотриманням принципу щільного упакування. Відповідно до цього принципу молекули полімеру в обмеженому просторі розташовуються так, що виступ однієї збігається з западиною іншої.

Таким чином, товщина міжфазного шару знаходиться в залежності від виду і природи наповнювача, а також від температури приготування композиції. Експериментально встановлено, що товщина міжфазного шару при модифікуванні ПГВФ диетиленгліколем і використанні звичайного портландцементу М 400 при температурі 15^оС складає 2,6•10-³ м, а при 25^оС - 1,2•10-³м. Міцність міжфазного шару вище міцності матриці в кілька разів. Звідси випливає, що зі збільшенням ступеня модифікування у міжфазному шарі має місце підвищення механічних характеристик цементної матриці бетону.

Зростання об'ємної частки міжфазного шару пов'язано зі збільшенням поверхні контакту, що визначає збільшення суми поверхневих сил взаємодії в контакті модифікований наповнювач-цемент. У такій системі молекулярні сили діють на відстанях у межах 10^-10…10^-9 м, тому спеціальні технологічні прийоми сприяють зближенню часток цементу і наповнювача, тим самим збільшуючи ступінь взаємодії з модифікованим поліетиленглікольаеросилом. Значення молекулярних сил на межі диетиленгліколь-пгВф визначається сумарною поверхнею наповнювача.

Міжмолекулярна взаємодія полімерного модифікатора і цементу визначається їхньою хімічною природою і характером зв'язку в контакті, тому важливе значення має правильний вибір пари мінеральна складова-полімер. Таким чином, міцність мікроструктури (цементної матриці) бетону R_св визначається наступними факторами:

(1)

де: V - кількість полімеру в одиниці об'єму матриці, кг/м³; S_1,2 - питома поверхня суміші цемент+мікронаповнювач, м²/кг; а - активність наповнювача, %; - ступінь гідратації цементу, %; г - середня щільність модифікованої цементної матриці, кг/м³.

Процес формування структури ремонтних бетонних складів складається з трьох стадій, а саме: перша з яких включає утворення капілярно-пористої структури до тужавіння суміші. При цьому значний вплив на характер майбутньої структури чинять процеси седиментації і фільтрації або зневоднювання ремонтного шару бетону. Друга стадія є початковою стадією тверднення, обумовленою умовами тверднення. При твердненні модифікованої цементної матриці бетону виникають реакції, у процесі яких атоми речовини хімічно зв'язуються в макромолекули і при нормальному розташуванні займають об'єм, менший ніж об'єм речовин, що вступили в реакцію.

Встановлено, що експлуатаційні характеристики бетону для проведення ремонтно-відбудовних робіт підвищуються при введенні латексу в процесі синтезу диетиленглікольаеросилу. Характерно, що при температурах 20-50^оС полімерні частки латексу своїми функціональними групами взаємодіють з поверхневими органогрупами високодисперсного кремнезему, внаслідок чого активні центри клінкерних силікатних мінералів і гідросилікатних новоутворень сприяють підвищенню міцності за рахунок активації тверднення в'яжучої речовини (табл. 1).

Таблиця 1. Вплив модифікування на міцність цементної матриці бетону (ПЦ М 400)

Як випливає з отриманих результатів, оптимальна кількість ДЕГА при модифікуванні цементної матриці бетону складає 0,23...0,33% від маси цементу в залежності від ступеня наповнення.

Третя стадія - початок експлуатації відремонтованої конструкції. Умови формування оптимальної мікроструктури ремонтного бетону, в першу чергу, закладаються на першій стадії.

Переважне підвищення міцності модифікованої ДЕГА і карбокислатним дивінілстирольним латексом цементної матриці бетону обумовлено спорідненістю карбоксигруп аеросилу до функціональних груп карбоксилатного дивінілстирольного латексу. Латексні глобули в присутності ДЕГА розподіляються рівномірно по об'єму цементної системи і пізніше коагулюють у ній у вигляді дрібних сферолітів і тонких ниток, накопичуючись в основному у поровому просторі. Це, з одного боку, забезпечує підвищену міцність цементної матриці, а з іншого боку - збільшує стійкість до дії агресивних середовищ.

Концентрація - латексу і ДЕГА - впливає на щільність цементної матриці і бетону в цілому, механізм якого полягає в наступному. При невеликому вмісті латексу в бетоні полімер обволікає зерна цементу дуже тонким шаром, віддаляючи їх одне від одного і тим самим збільшуючи об'єм матриці. При збільшенні вмісту латексу і ДЕГА поступово заповнюються пустоти й одночасно зростає щільність матриці. Підвищення міцності бетону при оптимальному вмісті модифікаторів пояснюється взаємодією міжмолекулярних сил між пружними плівками латексу і ДЕГА, і кристалічними новоутвореннями гідратованих мінералів цементу.

При гідратації двохкальцієвого силікату внаслідок міграції іонів Са²⁺ у рідку фазу на поверхні частки залишаються комплексні силікатні аніони, передаючи їй негативний заряд. Іони Н⁺ утворюють зовнішню обкладку подвійного електричного шару. У початковий момент гідратації міцелу 2СаОЧ SiО₂ аналогічно SiО₂ можна представити у вигляді {[Ca₂SiО₄]_mЧnSiО₄^4-Ч4(n-x)H⁺}4xН⁺. При цьому іде процес полімеризації дуже нестійкої ортокремневої кислоти з утворенням нової фази, що має також негативний заряд: nH₄SiO₄-(SiO₂)_n(OH)_m+2nmH₂O. Зі збільшенням концентрації іон Са²⁺, що має більший заряд і більші розміри, ніж іон водню, поступово витісняє його з дифузійного й адсорбційного шарів, знижуючи о -потенціал за рахунок утворення гідросилікатів кальцію. Процес гідратації двохкальцієвого силікату йде досить повільно, що призводить до збільшення в початковий період негативного знаку о -потенціалу за рахунок збільшення кількості силікатних іонів на поверхні частки. Зі збільшенням об'єму гідросилікатного гелю, що утворюється, значення о -потенціалу зменшується.

При гідратації трьохкальцієвого силікату електричні ефекти, що виникають на його поверхні, трохи відрізняються від С₂S. Структура С₃S побудована з двох самостійних просторових елементів - кремнійкіслородних тетраедрів і оксиду кальцію. При контакті з водою відбувається інтенсивна міграція іонів Са²⁺ у рідку фазу з оголенням ортосиликатної складової, у якій залишаються незкомпенсовані зв'язки. При цьому в короткий час досягається максимальний негативний заряд поверхні.

У модифікованій цементній матриці рентгенографічно ототожнені: C₃A(CS)₃H₃₁ з міжплощинними відстанями d=9,8; 5,6; 3,85М10^-10 м; C₄AH₁₃ з d=7,7...7,8; 3,34М10^-10; Ca(OH)₂ з d=4,91; 2,61; 1,79М10^-10 м; C₃A(CS)H₁₂ з d=8,9; 4,0М10^-10 м; гідросилікати кальцію - збільшення ліній з міжплощинними відстанями d=3,03; 1,87М10^-10 м; -SiО₂ з d=4,24; 2,45; 2,12; 1,81М10^-10 м. Ступінь гідратації, визначений за величиною ліній з міжплощинними відстанями d=2,74...2,78М10^-10 м, що належать -C₂S і C₃S, у зразках модифікованої цементної системи вище на 18...22%. Відзначено збільшення кількості гідросилікатних фаз на 26...34%.

Мікроскопічними дослідженнями встановлено утворення упорядкованої просторової структури модифікованої цементної матриці бетону, що характеризується меншою пористістю. При модифікуванні цементу комплексом ДЕГА+латекс максимум приходиться на пори радіусу 210-⁸ м на відміну від звичайного цементного каменя, у якому значний об'єм макропор радіусами 10-⁶…10-⁵ м, проникних для води. Міцність модифікованої ДЕГА і латексом цементної матриці у віці 28 діб зростає на 37...43% у порівнянні з цементним каменем без добавок.

У четвертому розділі викладено результати досліджень впливу структуроутворюючих факторів на властивості модифікованого бетону.

На підставі якісного аналізу реакцій цементної матриці бетону на зовнішні навантаження можна зробити висновок, що її міцність і деформативні властивості визначаються міцністю зв'язків у кристалічних ґратках і щільністю їхнього упакування в займаному об'ємі, пружністю і міцністю контактів між структурними складовими, кількістю і перетином пор (дефектів), а також відновлювальною силою, що виникає під дією зовнішнього навантаження внаслідок релаксаційних коливань і зрушень мікро- та макроструктурних елементів. За інших рівних умов основний вплив на деструктивні явища чинять міцність зв'язків і дефекти в цементній матриці, тому що зі збільшенням міцності зв'язків і зменшенням пористості в ній акумулюється більше пружної енергії і знижуються пластичні властивості. У результаті цього підвищується однорідність і міцність цементної матриці бетону.

Встановлено, що оптимальне значення коефіцієнта розсунення, при якому міцність бетону досягає максимальних величин становить 1,3. Максимальна міцність модифікованого бетону відповідає товщині міжфазного полімерного шару 95 мкм.

При проведенні ремонтно-відбудовних робіт на спорудах спеціального призначення слід враховувати, що на бетон конструкції впливає багато факторів у самому несприятливому сполученні. Результати визначення відносних усадкових деформацій звичайного і модифікованого бетону представлені в табл. 2. Усадкові деформації цементної матриці бетону регулюються якісними і кількісними змінами, що відбуваються при формуванні структури модифікованої цементної матриці в залежності від масо- і теплообмінних процесів.

Таблиця 2Усадка цементної матриці і бетону

Тріщиностійкість залізобетонних конструкцій, міцність і жорсткість кріплення металевих закладних деталей у значній мірі залежать від деформацій арматури і бетону при розтягу в зоні закладання, а також від взаємного впливу сусідніх стрижнів на ці деформації. Для підвищення зчеплення бетону з арматурою особливої важливості набуває урахування напружено-деформованого стану бетону в зоні силової взаємодії з арматурою. Зоною силової взаємодії вважається об'єм бетону навколо стрижня, обмежений на поверхні кола, вертикальні зміщення якої складають 5% від величини зсуву стрижня. У напрямку дії сили утворюється викривлення бетонної поверхні (депланація), що по мірі віддалення від стрижня згасає. З підвищенням навантаження деформації бетону вздовж закладання і зміщення бетонної поверхні збільшуються. У зразках зі стрижнями діаметром 25 мм із бетону класу В 30 на відстані двох діаметрів від стрижня при напруженні 30 МПа зафіксовано зміщення 4 мкм, а при напруженні 250 МПа зміщення склало 31 мкм; радіус взаємодії при цьому коливався в межах 4...5 діаметрів стрижня.

У п'ятому розділі представлені результати досліджень експлуатаційних властивостей модифікованого бетону.

Захисні властивості антикорозійних матеріалів визначаються не тільки їхньою хімічною стійкістю і величиною адгезії матеріалу до поверхонь, що захищаються, але також швидкістю дифузії агресивних речовин через ремонтний шар.

Вода з точки зору дифузії є більш активною рідиною в порівнянні з розчинами кислоти. Встановлено, що зі збільшенням концентрації сірчаної кислоти швидкість дифузійного проникання в зразки і межі насичення значно знижуються. Після досягнення рівноважного стану маса зразків, що зберігалися у воді і слабкому розчині кислоти, зменшується. Очевидно, йде розчинення диетиленгліколя і латексу. У розчині сірчаної кислоти 20-процентної концентрації зразки не знижують масу при тривалих дослідженнях, що можна пояснити каталітичною дією кислоти на латекс.

При дослідженні стійкості бетонних зразків у сульфатному середовищі з концентрацією SO₄^2- 10 г/л контролювалася міцність зразків різної тривалості витримування в агресивному середовищі, а також вміст у них сульфатів. Вміст сульфатів у модифікованому бетоні в 1,4...2,3 рази нижче за звичайний бетон. Це підтверджує підвищену стійкість бетону на модифікованій в'яжучій речовині в умовах сульфатної агресії.

З метою з'ясування ступеня впливу якості поверхні конструкції на відновлення її несучої здатності проведені дослідження на різних поверхнях, що тверднули в нормальних і природних умовах протягом 28 діб (табл. 3). Міцність зчеплення модифікованого бетону незалежно від умов тверднення і стану поверхні конструкції перевищує міцність зчеплення звичайного бетону практично у 2 рази.

Таблиця 3. Міцність зчеплення бетону з відновлюваною поверхнею конструкції

Модифікованому бетону у специфічних умовах експлуатації гарантована досить висока атмосферостійкість, що підтверджується стабільними значеннями міцності матеріалу в процесі досліджень.

Для звичайного бетону спостерігається спад міцності як при стиску, так і при згині. Еталонні зразки почали руйнуватися після 129 циклу поперемінного водонасичення і висушування, зразки модифікованого бетону знаходилися в задовільному стані до 200 циклів, після яких дослідження були припинені.

У модифікованому бетоні відкрита пористість знижена до 8...9%, що забезпечує високу морозостійкість. Проведеними дослідженнями на водопроникність ремонтного шару бетону встановлено, що модифікований бетон відповідає марці по водопроникності W 10.

При нанесенні ремонтного шару бетону значний вплив на міцність стиків чинить вибір взаємного розташування поверхонь, що стикуються. При цьому з'єднанню піддаються конструкції в ненапружених місцях. встановлено, що міцність зчеплення нового бетону з бетонними зразками знаходиться в межах 4,3...5,2 МПа. Зразки зруйнувалися по старому бетону, що пояснюється проростанням кристалогідратів модифікованої цементної матриці в тіло старого бетону.

За розробленою технологією виконано відновлення несучої здатності конструкцій на об'єктах ВАТ «Нижньодніпровський трубопрокатний завод». Економічна ефективність технології відновлення несучої здатності конструкцій спеціального призначення із застосуванням бетону на основі модифікованої цементної матриці склала 42 грн/м³ у порівнянні з традиційною технологією без урахування підвищення експлуатаційних характеристик бетону.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі викладені результати науково обґрунтованих досліджень, спрямованих на вирішення актуальної задачі одержання бетонів з підвищеними експлуатаційними характеристиками, призначених для відновлення несучої здатності залізобетонних конструкцій споруд спеціального призначення за рахунок модифікування цементної матриці.

1.Встановлено доцільність модифікування цементної матриці бетону двома полімерними компонентами - карбоксилатним дивінілстирольним латексом БСК і диетиленгліколем, що призводить до їх сополімеризації. Модифікування поліетиленглікольаеросилу (ДЕГА) диетиленгліколем призводить до підвищення дисперсності часток наповнювача до питомої поверхні 1500 м²/кг.

2.Підвищення міцності модифікованої ДЕГА і латексом цементної матриці бетону обумовлено найбільшою спорідненістю карбоксигруп аеросилу до функціональних груп карбоксилатного дивінілстирольного латексу. Карбоксилполістирольні глобули у присутності ДЕГА розподіляються рівномірно по всьому об`єму цементної системи і пізніше коагулюють у ній у вигляді більш дрібних сферолітів і тонких ниток, накопичуючись в основному у поровому просторі.

3.Отримано рівняння міцності модифікованого бетону для умов R_кзR_цм і Е_кзЕ_цм, а також R_кзR_цм і Е_кзЕ_цм. При Е_кзЕ_цм і R_кзR_цм (R_кз, R_цм - міцність при стиску крупного заповнювача і цементної матриці відповідно) крупний заповнювач є недовантаженим, у зв'язку з чим міцність бетону визначається в основному міцністю цементної матриці. При незмінному об'ємі крупного заповнювача міцність бетону знижується зі збільшенням кількості піску, а потім, по мірі розсунення цементним розчином зерен щебеню, спостерігається закономірне збільшення міцності модифікованого бетону.

4. Модифікування цементу диетиленглікольаеросилом створює умови для утворення моносульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію, що сприяє виникненню просторової структури, яка не проявляє в більш пізній термін деструктивних явищ унаслідок перекристалізації тригідросульфоалюмінату кальцію. При відновленні конструкцій модифікованим бетоном спостерігається зменшення кількості гідроксиду кальцію, що обумовлено зв'язуванням його іонами SiО₄^4-, що знаходяться в рідкій фазі модифікованої цементної системи.

5.При забезпеченні зчеплення модифікованого бетону з арматурою встановлено, що до напруження в стрижні у бетоні, що оточує стрижень, виникають пружні деформації, а при у бетоні починають розвиватися непружні деформації, і в першу чергу поблизу стрижня. При цьому відстань між стрижневими анкерами, до яких висуваються високі вимоги жорсткості закладання і не допускаються залишкові зсуви анкерів, вибирається з таким розрахунком, щоб деформації бетону між сусідніми анкерами після взаємного накладання залишалися б пружними.

6.У процесі розробки математичної моделі процесів корозійної стійкості отримано рівняння, що зв'язує сульфатостійкость бетону з параметрами агресивного середовища (вміст сульфат-іонів) і характеристиками бетону (вміст С₃А цементу, СаСО₃ у дрібному заповнювачі, ступінь модифікування в'яжучої речовини). Відхилення коефіцієнту стійкості К_с розрахункового від експериментального у всьому діапазоні випробуваних умов не перевищує К_с =0,1. Використання математичної моделі корозійної стійкості бетону дозволяє розраховувати коефіцієнт сульфатостійкости і прогнозувати довговічність залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних середовищах.

7.Розроблено технологічні схеми виробництва ремонтних робіт при відновленні несучої здатності бетонних і залізобетонних елементів із застосуванням модифікованого бетону. За розробленою технологією виконано відновлення несучої здатності конструкцій на об'єктах ВАТ «Нижньодніпровський трубопрокатний завод». Економічний ефект склав більш 36 тис. грн. Економічна ефективність розробленої технології відновлення несучої здатності конструкцій спеціального призначення із застосуванням бетону на основі модифікованої цементної матриці склала 42 грн/м³ у порівнянні з відомою технологією без урахування підвищення експлуатаційних характеристик бетону.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Кушвид А.А. Влияние гигрометрического состояния на собственные деформации бетона. А.А. Кушвид, Б.Г. Клочко // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2003. - № 10(68). - Ч. 2. - С. 170-173.

Особистий внесок - встановлені закономірності зміни власних деформацій бетону масивних споруд.

2. Клочко Б.Г. Трещинообразование бетона в процессе эксплуатации конструкцій. / Б.Г. Клочко, А.А. Кушвид // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна. - Дніпропетровськ: ДІІТ. - 2004. - Вип. 3. - С. 124-126.

Особистий внесок - досліджено механізм руйнування бетону конструкцій у залежності від характеру навантаження.

3.Кушвид А.А. Формирование эксплуатационных свойств монолитного бетона. / А.А. Кушвид, В.А. Бугаев, Д.В. Руденко // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2004. - № 7(77). - Ч. 2. - С. 98-102.

Особистий внесок - визначені закономірності зміни деформативних характеристик монолітного бетону природного тверднення при різних режимах догляду за бетоном.

4.Клочко Б.Г. Бетонные смеси для монолитного строительства. / Б.Г. Клочко, А.А. Кушвид // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури - 2004. - № 1(43). - Т. 2. - С. 50-53.

Особистий внесок - досліджені реологічні властивості бетонних сумішей на модифікованій в'яжучій речовині.

5.Пунагин В.В. Эксплуатационно-теоретические предпосылки ускорения твердения бетона. / В.В. Пунагин, Н.Н. Руденко, С.А. Бычков, В.А. Бугаев, Д.В. Горидько, А.А Кушвид // Новини науки Придніпров'я. - 2004. - № 1. - С. 18-21.

Особистий внесок - визначено умови прискорення тверднення бетону на модифікованій в'яжучій речовині.

6.Кушвид А.А. Особенности структурообразования цементной матрицы бетона, модифицированной полимерминеральным комплексом. / А.А Кушвид // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2005. - № 6(88). - С. 266-268.

7.Кушвид А.А. Исследование процесса формирования прочности сцепления модифицированного бетона с ремонтируемой поверхностью. / А.А. Кушвид // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2006. -№ 7(101). - С. 226-227.

8.Кушвид А.А. Исследование коррозионной стойкости модифицированного бетона. / А.А. Кушвид // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2007. - № 6(112). - С. 272-274.

Размещено на Allbest.ru