Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ЭКСТРУЗИОННОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ

05.23.05 Строительные материалы и изделия

Токанов Данияр Токанович

Республика Казахстан

Алматы 2010

Работа выполнена в Карагандинском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Байджанов Д.О.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Ткач Е.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Соловьев В.И.,

кандидат технических наук Жакипбеков Ш.К.

Ведущая организация:

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научно-исследовательского и проектного института строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») по адресу: 050060, г. Алматы, ул.Радостовца, 152/6.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. А. Куатбаев

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В посланиях Президента Н.А.Назарбаева народу Казахстана отмечается необходимость развития строительной индустрии. Согласно концепции научно-технической политики Республики Казахстан, к приоритетным направлениям развития строительства относится создание новых строительных материалов на базе прогрессивных технологий, обеспечивающих конкурентоспособность на рынке строительных материалов за счет улучшения эксплуатационных характеристик, потребительского качества изделий и конструкций, снижения их себестоимости и повышения производительности труда.

Строительство является одной из материалоемких отраслей промышленности, поэтому решение проблем создания импортозамещающих, экономически эффективных материалов на базе передовых отечественных технологий становится основополагающим фактором в динамичном развитии строительной индустрии. К перспективным разработкам следует отнести получение материалов и изделий на основе структурно модифицированных бетонов, армированных плетеносварными сетками, изготавливаемых перспективным методом - экструзией. Мощный импульс развитию таких технологий придает применение высокоэффективных модификаторов.

Актуальность настоящей работы заключается в том, что структурное модифицирование бетона производится в процессе подготовки и формования бетонных смесей и изделий с использованием высокоэффективных технологий (механоактивация компонентов бетона, применение модифицирующих добавок, формование экструзией) и новейших видов армирующих конструкций (плетеносварные сетки).

Работа выполнена в соответствии с задачами Концепции индустриальной политики Республики Казахстан планом тематических исследований Карагандинского государственного технического университета. модифицированный бетон армированный сетка

Целью работы явилась разработка экструзионной технологии структурно модифицированного бетона, армированного плетеносварными сетками.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработаны структурные модификаторы цементного камня и бетона;

- разработана экструзионная технология изделий из структурно модифицированного бетона, армированных плетеносварными сетками;

- исследованы технологические и эксплуатационные свойства структурно модифицированного бетона;

- разработана техническая документация на производство олигомер-полимерных модификаторов и модифицированных бетонных изделий, армированных плетеносварными сетками;

- проведены опытно-промышленные испытания и технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений.

Научная новизна работы:

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено эффективное влияние структурных модификаторов - порошкового поливинилхлорида (ПВХ) и кремнийорганического олигомера (КО «Силор») - на технологические и эксплутационные свойства бетона;

- установлено, что модификаторы ПВХ и КО «Силор» улучшают технологические свойства бетона за счет направленного регулирования пластично-вязких свойств цементных систем;

- разработана механоактивационная технология модифицирования свойств бетона. При давлении 0,4-0,6 МПа на поверхности ПВХ «прививаются» микрочастицы цемента, которые при затворении водой образуют дополнительные центры кристаллизации цементирующего вещества и способствуют возрастанию доли мелкосферолитной структуры в цементном камне, что улучшает его структуру и свойства;

- установлено, что на поверхности макромолекул структурного модификатора ПВХ образуются дополнительные центры зародышеобразования гидратных цементирующих соединений, что позволяет целенаправленно регулировать структуру бетона за счет снижения концентрации дефектных зон;

- установлена зависимость технологических и эксплуатационных свойств бетона от содержания в композиционном модификаторе кремнийорганического олигомера и поливинилхлорида. За счет «прививки» частиц цемента на макромолекулах ПВХ и формирования на них дополнительных центров кристаллизации, миграции ПВХ в микропоры бетона с последующим образованием в процессе твердения микросферолитных кристаллических структур, а также миграции в микропоры высокоподвижного гидрофобизирующего кремнийорганического олигомера, входящие в состав комплексных модификаторов, повышается плотность и улучшается деформативно-прочностные свойства бетона.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработана экструзионная технология производства железобетонных изделий, армированных плетеносварными сетками, на основе структурно модифицированного бетона;

- разработан композиционный состав структурных модификаторов МБК-7, МБП-14, КМ-21 для экструзионного бетона с улучшенными технологическими свойствами и технологический регламент на их производство.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена теоретическими и экспериментальными данными с применением эффективных методов расчета, лабораторного оборудования и приборов, обеспечивающих надежность полученных результатов исследований.

На защиту выносятся:

- составы структурных гидрофобизирующих олигомер-полимерных модификаторов и бетона и способы их получения;

механоактивационный способ введения в цементную систему структурных модификаторов;

результаты исследований влияния структурных модификаторов на свойства цементных систем;

обобщенные положения о механизме действия структурных модификаторов, включающих порошок полвинилхлорида;

экструзионный способ изготовления железобетонных изделий, армированных плетеносварными сетками;

результаты экспериментальных и опытно-промышленных работ по внедрению экструзионного способа получения железобетонных изделий, армированных плетеносварными сетками.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Карагандинского государственного технического университета (Караганда, 2008-2010); на Международной научно-практической конференции «Наука и образование без границ» (Прага, 2008); на Международной конференции «Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве» (Санкт-Петербург, 2007); в Международном научном журнале «Актуальные проблемы современности» (Караганда, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений, содержит 110 страниц машинописного текста, 34 рисунка, 28 таблиц, список использованных источников из 149 наименований.

Результаты работы получены автором самостоятельно.

Автор выражает глубокую благодарность коллективам кафедры ТСМиИ Карагандинского государственного технического университета и ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ».

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Состояние вопроса

Динамичное развитие современного бетоноведения и эффективных технологий железобетонных изделий неразрывно связано с новыми достижениями в области модифицирования структуры и свойств материалов различными методами. Одним из методов модифицирования бетона является введение в его состав добавок, позволяющих целенаправленно изменять макро- и микроструктуру и получать бетон с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами.

Для получения бетона с заданными строительно-технологическими свойствами применяют функциональные модификаторы, влияния на параметры цементных систем, на стадии формирования структуры цементного камня. Важное значение приобретает разработка оптимального композиционного состава бетона с учетом влияния модификаторов на гидратацию цемента.

Большой вклад в теорию и практику применения модифицирующих добавок в технологии бетона, бетонных и железобетонных изделий и конструкций внесли коллективы НИИЖБа, ВНИИСтрома им.П.П.Будникова, МГСУ (бывший МИСИ им. В.В. Куйбышева), КарГТУ, КИСИ, Новосибирского ИСИ им. Куйбышева, НИИПолимербетона, ОИСИ, Ташкентского АСИ, ТОО Алматинский «НИИСТРОМПРОЕКТ», КазХТИ, КазГАСА, ИХН АН КазССР и других организаций.

Анализ научно-технической литературы показывает, что в настоящее время наблюдается тенденция к расширению функционального использования модификаторов бетона в следующих направлениях:

для получения бетона, железобетонных изделий и конструкций с высокими эксплуатационными свойствами;

для улучшения структуры новообразований цементного камня в процессе твердения бетона при различных технологиях формования с минимизацией макро- и микропустот в бетоне;

для микроармирования цементного камня волокнистыми наполнителями, что является дополнительным резервом повышения деформационно-прочностных свойств и долговечности бетона и железобетона.

Комплексное использование полимерных и неорганических модификаторов, влияющих на структурообразование при твердении бетона и микроармирование цементного камня, позволяет применять различные способы приготовления и формования бетонных смесей.

В настоящее время получает развитие экструзионный способ формования железобетонных изделий в силу его высокой производительности за счет механизации и автоматизации процесса. Вместе с тем экструзионный способ формования требует разработки бетонов со специфическими технологическими свойствами. При экструзии бетонные смеси перемещаются по определенным законам. Интенсифицируются процессы гидратации цемента и ориентации армирующих добавок, уплотняются макро- и микроструктура цементного камня в бетоне, что определяет эксплуатационные свойства бетонных изделий и конструкций. Комплексное регулирование технологических и эксплуатационных свойств бетона определяет необходимость разработки качественно новых технологий модифицирования структуры и свойств экструзионного бетона.

Для достижения поставленной цели была принята следующая рабочая гипотеза.

Известно, что материалы для улучшения физико-механических свойств подвергаются структурному модифицированию - легированию введением малых количеств целевых добавок. Существуют теоретические предпосылки для структурного модификации бетона в процессе приготовления формовочной смеси и формования изделий с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств. Повышение долговечности и прочности достигается за счет совершенствования макро- и микроструктуры бетона при введении различных добавок. Полимерные и олигомерные добавки позволяют снизить объем пор в бетоне за счет улучшения удобоукладываемости, а также заолнения пор и дефектных зон подвижными макромолекулами олигомеров и полимеров под действием внутренних напряжений, возникающих в процессе твердения. Введение в состав композиции олигомерных добавок силоксанового ряда будет не только способствовать улучшению реологических характеристик смесей и повышению прочности бетона, но и повышать адгезионную прочность цементного вяжущего с арматурой. Ориентация микроволокнистых наполнителей параллельно направлению течения бетонной смеси в каналах экструдера также будет повышать прочность цементного камня. Оптимизация состава формовочной смеси с комплексными модифицирующими добавками обеспечит получение экструзионных бетонов с улучшенными свойствами.

На основании литературного обзора в соответствии с данной рабочей гипотезой были определены задачи исследований.

2. Характеристика исходных материалов и методы исследований

Исследование свойств цементных материалов (пасты, бетонные смеси, бетоны) проведены в лабораториях Карагандинского технического университета и Карагандинского завода железобетонных изделий ТОО «Нурхан». Научно-исследовательские и практические работы выполнены с применением местных сырьевых материалов и химических добавок, производимых в странах СНГ. Выбор сырьевых материалов, подбор составов бетона, модификаторов осуществляли с учетом требований, предъявляемых к бетонным и железобетонным изделиям при формовании экструзией, состояния рынка сырьевых материалов и потребительского спроса на строительные изделия и конструкции в регионах.

В качестве вяжущего использовали цементы Новокарагандинского и Усть-Каменогорского цементных заводов. В качестве крупного и мелкого заполнителей применяли щебень и песок карьеров Карагандинской области.

Результаты испытаний сырьевых материалов показали их соответствие требованиям стандартов: ГОСТу 10178-85 «Портландцемент, шлакопортландцемент. Технические условия», ГОСТу 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия», ГОСТу 8267-93 «Щебень и гравий из плотных пород для строительных работ. Технические условия», СТРК 946-92 «Щебень из природного камня для строительных работ. Технические условия».

В составе комплексных модификаторов использовали суперпластификатор С-3 (ТУ 6-36-0204229-625-90); порошок поливинилхлорида марки ПВХ С-70 (ГОСТ 14332-89), кремнийорганический олигомер КО «Силор» (ТУ 38-10385-86); нитрит-нитрат кальция (ННК) или нитрит натрия (НН) (ТУ 6-18-194-76 и ТУ 38-1022-74). Микроармирование бетонной смеси производили базальтовым волокном из базальта месторождений Кыргызстана, свойства которого соответствовали рекламным данным «Базальтовые волокна». Бетонную смесь затворяли водой, удовлетворяющей требованиям ГОСТа 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».

При выполнении экспериментальных работ были использованы стандартные и общепринятые методы исследований. Для изучения структурных превращений, макро- и микроструктуры материалов, реологических свойств использовали методы анализа, электронной микроскопии, капиллярной и роторной визкозиметрии. Основные физико-механические свойства бетона определяли в соответствии с ГОСТом 101080-90 «Бетоны. Методы определения прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона», ГОСТом 24544-81 «Бетоны. Методы определения деформации усадки и ползучести», ГОСТом 10060.1-95 «Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости», ГОСТом 12730.5-84 «Бетон. Методы определения водонепроницаемости».

При проведении специальных исследований (релаксация напряжений, реологические свойства и пр.) использовали оригинальные методы, разработанные в процессе выполнения настоящей работы и описанные в соответствующих главах диссертации.

Составы модификаторов оптимизировали по технологическим свойствам и прочности бетона с применением метода математического планирования эксперимента.

3. Механоактивация цементных систем с олигомер-полимерными добавками

Известно, что в промышленно развитых странах доля модифицированных бетонов составляет 80-90%. Ассортимент модификаторов непрерывно увеличивается и одновременно с этим возрастают требования строительной индустрии к их качеству. Повышению качества и функциональной эффективности модифицирующих добавок способствуют последние научные достижения.

В настоящей работе для повышения активности цемента, интенсификации взаимодействия компонентов цементных систем и регулирования структуры цементного камня и бетона использовали в составе комплексных модификаторов поливинилхлорид, гидрофобизирующую добавку КО «Силор», микроармирующий наполнитель - базальтовое волокно, ускоритель твердения ННК, суперпластификатор С-3. Составы модификаторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Составы модификаторов

Компонент	Модификатор, масс.ч.
	МБК-7	МБП-14	КМ-21
С-3	1,5	1,5	1,5
ННК	21,9	18,3	22,9
ПВХ	-	3,3	2,7
Кремнийорганическая жидкость КО «Силор»	0,7	-	1,02
Базальтовый концентрат	75,0	67,7	73,2

Композиции модификаторов готовили смешением компонентов в лопастном двухстадийном вихревом смесителе при частоте вращения ротора 70- 100 об/мин с поэтапным введением компонентов и перемешиванием в течение 3-4 мин на каждом этапе. Образцы для испытаний готовили по стандартной методике из оптимизированных составов.

Механоактивация минеральных вяжущих материалов, согласно работам Н.К. Барамбойма и М. Портера, инициируется при высоких скоростях разрушения их частиц и протекает с образованием новых поверхностей, высвобождением энергии излучения, которая достаточна для «прививки» на свежеобразовавшихся поверхностях цементных частиц макромолекул полимеров. «Прививка» ПВХ на поверхность частиц цемента зависит от химического, минерального состава этих частиц и свойств макромолекул полимера. При этом могут протекать реакции синтеза вследствие разрыва связей макромолекул полимера и олигомера. Этот принцип заложен в основу создания новых материалов с заданными свойствами.

Механоактивация цементного материала в результате сдвиговых напряжений с разрушением его частиц и «прививкой» макромолекул ПВХ приводит к изменению процессов гидратации, степени кристалличности гидратных цементирующих структурных новообразований, совершенствованию структуры цементного камня при твердении. Эти изменения приводят к улучшению реологических свойств бетонной смеси, обусловленной повышением подвижности кластеров продуктов гидратации, а также деформационно-прочностных свойств цементного камня и бетона за счет уменьшения дефектных зон (макропор, пустот, трещин).

Механоактивацию цемента проводили в струйно-вихревой мельнице конструкции ВНИИЦемента при давлении в соплах эжектора 0,4-0,6 МПа. Отдозированные цемент и порошок ПВХ из емкостей подаются противоточно в камеру струйно-вихревой мельницы, где частицы, соударяясь, транспортируются восходящим потоком на бронированные плиты, закрепленные на внутренней части корпуса. При этом происходит диспергирование частиц цемента и «прививка» макромолекул ПВХ на поверхность частиц цемента. Разрушение твердых частиц цемента и «прививка» ПВХ на свежеобразованные поверхности протекают тем интенсивнее, чем больше давление в соплах эжектора. Процесс продолжается непрерывно, готовый материал отводится через классификатор в приемную емкость. Размер частиц разрушенного цемента контролируется классификатором. Экспериментально установлено, что оптимальным является давление Р=0,30,6 МПа, при котором степень «прививки» макромолекул ПВХ на поверхность частиц цемента составляет 35-45% от содержания в композиции. Степень «прививки» оценивали флотацией в дифенилформальдегиде «непривитых» макромолекул ПВХ при температуре 25⁰С.

Как известно, формирование структуры цементного камня и бетона сопровождается образованием пор, микротрещин. Одной из важнейших характеристик структуры бетона как капиллярно-пористого материала являются его поровые параметры.

Влияние механоактивации цемента на структурообразование бетона при В/Ц=0,32-0,34 исследовали по кинетике водопоглощения в нормальных условиях. Анализ результатов исследований показывает, что в бетон их механоактивированного цемента с модифицирующей добавкой диффундирует значительно меньшее количество воды, что является следствием совершенствования структуры цементного камня - снижения пористости за счет заполнения макропор макромолекулами ПВХ, а микропор - молекулами олигомера КО «Силор».

Для водопоглощения бетона (W) с В/Ц 0,30?0,4 в течение 90 ч справедливо выражение:

W=-0,003²-11,67(В/Ц)²+0,28+0,13+10,75(В/Ц)-2,35, (1)

где - продолжительность водопоглощения.

Однако для бетона на механоактивированном цементе представленное уравнение адекватно описывает процесс водопоглощения при В/Ц=0,300,35. При В/Ц>0,35 кинетику водопоглощения не удается описать приведенным уравнением, что, по-видимому, объясняется различием механизма диффузии молекул воды из-за закрытия проходных капилляров молекулами олигомер-полимерного модификатора. В значительной мере этому способствует образование мелкокристаллических гидросиликатов мелкосферолитной формы, что подтверждается электронными снимками. Если начальный период твердения, связанный с образованием коагуляционной структуры водопоглощение возрастает линейно (45 ч для неактивированного и 28-35 ч для механоактивированного цемента), то стабилизация приращения водопоглощения соответствует периоду кристаллизации и образованию плотного материала, обладающего высокой структурной прочностью.

Из результатов экспериментов следует, что улучшаются прочностные свойства бетона в присутствии полимерного модификатора за счет увеличения доли мелкокристаллических сферолитов и снижения доли крупных кристаллов в цементном камне. Следует полагать, что доля аморфной фазы в материале при гидратации частиц цемента, адсорбировавших «привитые» молекулы ПВХ, значительно повышается. Наряду с этим на высокомолекулярных образованиях ПВХ также закрепляются частицы цемента, которые при миграции этих образований в результате возникающих внутренних давлений в процессе твердения создают новые центры кристаллизации в макропустотах и дефектных зонах бетона.

Критерием эффективности модифицирования, по В.И. Соловьеву, могут служить степень кристалличности (_k), степень гидратации (_r) и микропористость (V_п) гидратных новообразований. В таблице 2 показана кристалличность и микропористость из механоактивированного цемента с модификатором при В/Ц=0,320,34 и естественном твердении в течении 28 сут. Механоактивацию цемента осуществляли в струйной мельнице при давлении 0,4 МПа.

Из данных таблицы следует, что наибольшая степень кристалличности цементирующих новообразований (_k) достигается при домоле цемента в присутствии модификаторов МБП-14 и КМ-21, содержащих ПВХ. Степень кристалличности новообразований цементного камня из механоактивированного цемента без модификатора значительно (в 1,5-2 раза) ниже. Наибольшей микропористостью (V_п.=0,92) характеризуется цементный камень при активации цемента с модификатором МБК-7, содержащим КО «Силор». Незначительное изменение микропористости камня с модификатором КМ-21, также содержащим КО «Силор» обусловлено эффектом занятия части микропор молекулами поливинилхлорида.

Таблица 2 - Степень кристалличности и микропористость цементного камня при механоактивации цемента с модификатором

Модификатор	k, %	Vп., о.е.
-	11,2	0,71
МБК-7	14,3	0,92
МБП-14	21,7	0,76
КМ-21	19,4	0,74

4. Физико-механические свойства структурно модифицированных бетонов

Физико-механические свойства бетона зависят от способности бетонной смеси к водоотделению и расслоению. Применяемая в настоящее время технология железобетонных конструкций предполагает наличие избытка воды затворения для улучшения реологических свойств бетонной смеси. В/Ц применяемых бетонных смесей составляет 0,30,5 при теоретически необходимом для гидратации цемента В/Ц0,16. В процессе формования бетонных изделий избыток воды интенсивно отделяется из бетонной смеси, что приводит к образованию дефектных зон в структуре бетона и резкому снижению его деформативно-прочностных свойств, трещинообразованию, повышению диффузии водных растворов в объем конструкций при эксплуатации.

Исследования показатели, что водоотделение и расслаиваемость бетонных смесей, содержащих разработанные модификаторы, значительно снижаются. Существенную роль в снижении расслаиваемости играет наличие в составе модификаторов порошка ПВХ и базальтового микроволокна. Согласно В.И. Соловьеву, макромолекулы ПВХ и базальтовые волокна в бетонной смеси ориентируются в направлении вектора напряжений, вследствие чего боковое давление перемещающихся потоков бетонной смеси на опалубку снижается в 1,2-1,5 раза: каждый укладываемый слой имеет структурную вязкость, позволяющую сдерживать давление верхнего слоя без значительных деформаций.

Ориентацию микроволокон в бетонной смеси количественно определить в настоящее время не представляется возможным из-за отсутствия надежных методов расчета и экспериментальных работ. Существенную роль в этом процессе играет, как нам представляется, скорость нарастания структурной прочности бетона.

При формовании железобетонных изделий проводится непрерывным способом экструзией - особый интерес представляет изучение реологических свойств цементных систем на различных стадиях структурообразования. Из анализа экспериментальных вискозиметрических данных следует (рисунок 1), что показатель текучести бетонной смеси (ПТБ), определяемый по истечению цементной пасты, линейно возрастает, аномалий во всем временном диапазоне измерений не наблюдается. Модификатор МБК-7, содержащий кремнеорганический олигомер КО «Силор», значительно повышает ПТБ. Показатель бетонной смеси, содержащей МБП-14, несколько ниже, что, по-видимому, связано с ориентационным эффектом макромолекул ПВХ при внешних нагрузках в процессе истечения бетонной смеси. При повышенных нагрузках (5,0 кН) истечение бетонной смеси изменяется нелинейно.

а) 1 - без модификатора; 2 - с МПБ-14; 3 - с КМ-21; 4 - с МБК-7. б) Нагрузка: 1, 2 - 2,16 кН; 3, 4 - 5,0 кН; 1, 3 - без модификатора; 2, 4 -модификатор МБП - 14

Рисунок 1 - Изменение показателя текучести бетонной смеси во времени (цементная паста с В/Ц=0,38)

При приложении внешних нагрузок дольше 4-5 мин ПТБ бетонной смеси, модифицированной МБП-14, возрастает асимптотически, что указывает на завершение ориентации макромолекул полимера и удаление воды под давлением штока. Отсюда следует, что в процессе экструзии следует прогнозировать продолжительность переноса материала шнеком из зоны загрузки в зону сжатия. Нелинейность изменения ПТБ в указанном интервале продолжительности нагружения связана с недостаточной сплошностью бетонной смеси за счет избытка воды. Поэтому при разработке технологии экструзионного бетона следует учитывать частоту вращения шнека и конструкцию профиля шнека.

Экспериментально установлена зависимость жесткости экструзионной бетонной смеси от ПТБ. Таким образом, удобоукладываемость экструзионных бетонных смесей может быть оптимизирована по данным капиллярной вискозиметрии цементной пасты (ПТБ). Использование этого реологического показателя позволяет получить зависимость «состав композиции - реологические свойства - режим экструзии». Так, повышение внешней нагрузки при фиксированных значениях ПТБ приводит к повышению жесткости бетонной смеси, что, в первую очередь связано с В/Ц и содержанием цемента в композиции.

Перемещение бетонной смеси по длине экструдера обусловлено действием на материал напряжений сдвига, возникающих при вращении шнека в цилиндре. При перемещении цементной системы через цилиндр круглого сечения необходимо преодолеть силы трения (f=/S), возникающие на стенке цилиндра, что вызывает сдвиговые напряжения на условных границах относительного перемещения единичного объема материала или площадях соприкосновения слоев бетонной смеси. Касательные или сдвиговые напряжения вызывают деформацию сдвига. В ламинарном режиме, когда реологические характеристики постоянны во времени, напряжение сдвига, вызывающее течение композиции, определятся из выражения:

=, (2)

где - коэффициент вязкости, - деформация сдвига.

Для определения реологических характеристик бетонной смеси в работе использован метод ротационной вискозиметрии, моделирующий процесс перемещения бетонной смеси в цилиндре вращении шнека. Результаты измерений представлены на рисунке 2. Возраст бетонной смеси 5 ч, соотношение длины и диаметра цилиндра шнека L/d=40/2.

а) 1 - без модификатора; 2 - МБП-14; 3 - КМ-21; 4 - МБК-7; б) 1 - без модификатора, В/Ц=0,3; 2, 3, 4 - КМ-21, В/Ц соответственно 0,30; 0,35; 0,4

Рисунок 2 - Зависимость вязкости бетонной смеси от скорости сдвига

Установлено, что относительная структурная вязкость бетонной смеси на стадии формирования коагуляционной структуры в большой степени зависит от В/Ц. Так, при экструзии бетонной смеси с повышением В/Ц от 0,3 до 0,4 наблюдается повышение вязкости системы во всем диапазоне сдвиговых напряжений. Модификаторы, содержащие КО «Силор», наиболее снижают вязкость. Бетонная смесь, содержащая ПВХ, отличается повышенной вязкостью. Это, по-видимому, связано с тем, что на стадии коагуляционной структуры макромолекулы ПВХ занимают межфазное пространство между заполнителем и продуктами гидратации цемента. При этом макромолекулы ПВХ, обволакивая фрагменты гидратных новообразований, проявляют высокие вязко-пластические свойства присущие полимерам, что согласуется с литературными данными. Структурная вязкость бетонной смеси в этом случае определяется выражением:

, (3)

где - вязкость предельно разрушенной структуры; - коэффициент тиксотропии; V - частота колебаний.

В процессе экструзии структурная вязкость бетонной смеси возрастает по длине цилиндра с переходом структуры системы от коагуляционной к кристаллизационной. Экспериментально установлено, что вязкостные свойства бетонной смеси целесообразно определять через 5ч15 ч после приготовления. Отметим, что применение ротационной вискозиметрии в зависимости от поставленной задачи возможно до 28-суточного возраста бетона. Так, для определения по данным сдвиговых напряжений степени кристаллизации бетона, через 28 сут (80-95%) использовали ротор с высотой и шириной рифления 2 мм при шаге 4 мм.

Реологические стадии при твердении бетонной смеси в экструдере показаны на рисунке 3.

I - стадия коагуляционная, II - стадия кристаллизации (до 75%), III - стадия структурной прочности

Рисунок 3 -Схема трехстадийного реологического поведения бетонной смеси в экструдере

Первая стадия при =1,8ч15 МПа характеризует течение бетонной смеси коагуляционной структуры. На этой начинаются процессы кристаллизации цементного камня, что вызывает большой разброс данных напряжения сдвига, обусловленный структурированием материала. Взаимодействие кристаллизующихся цементирующих образований с заполнителями и межфазные явления, протекающие на данном этапе твердения, носят сложный характер. С одной стороны, интенсифицируется структурообразование при внешних воздействиях наряду с физико-химическими процессами кристаллизации при твердении вяжущего. С другой стороны, усиливается поверхностное взаимодействие твердеющего вяжущего и заполнителей под действием сдвиговых напряжений. Наблюдаемые явления присущи экструзионному методу формования, при котором вследствие интенсивного механического смешения повышается степень гомогенизации и сплошность формируемого материала.

Вторая стадия соответствует периоду более глубокой кристаллизации цементного камня в бетоне (50-75%) и может рассматриваться как течение материала с реологическими показателями, соответствующими напряжению сдвига =1535МПа. На этой стадии проявляется эффект ламинарного течения твердеющего бетона.

Третья стадия может рассматриваться как период достижения структурной прочности бетона, при которой перенос частиц не может протекать. Максимальная структурная прочность бетона достигается при >35МПа. Из представленных данных следует, что на этой стадии прочностные свойства бетона наиболее близки к эксплуатационным (85-92%). Достижение максимальной прочности бетона определяли по предельному напряжению сдвига (_пр), при котором происходит срез части сплошного закристаллизованного бетона.

Влияние ПВХ на реологическое поведение твердеющего бетона подтверждает его структурообразующее действие. Так, при содержании в бетоне 0,9 % МБП-14 от массы цемента напряжение сдвига резко повышается в возрасте 10 сут, соответствует показателям призменной прочности, что обусловлено образованием прочной кристаллической структуры гидратных цементирующих веществ за счет увеличения концентрации центров зародышеобразования на поверхности макромолекул ПВХ.

На наш взгляд, чрезмерное повышение плотности гидрофобной сетки, степени кристаллизации гидратных новообразований может привести к снижению эксплуатационных характеристик бетона - увеличению объема макропор, дефектов структуры, снижению эффекта поверхностных взаимодействий. Известно, что «мягкие» условия кристаллизации приводят к образованию гомогенных макроструктур бетона. В связи с этим при введении в состав бетонной смеси модификатора МБП-14 должны максимально учитываться технологические параметры экструзионного формования: частота вращения шнека, геометрия витков шнека, геометрический профиль изделия, степень сжатия в калибрующей оснастке.

Наиболее оптимально регулирование свойств бетонной смеси комбинированным модификатором, при котором кристаллизация протекает в «мягком» режиме, обеспечивая максимальную однородность и сплошность бетона, т.е. в каждом конкретном случае, в зависимости от назначения изделия, необходимо рассчитывать состав бетона с учетом вида модифицирующей добавки. Так, применение КМ-21 в качестве модификатора позволяет получать материалы, призменная прочность которого достигается через 20-25 сут. Полученные экспериментальные данные показывают, что используемые модификаторы позволяют целенаправленно регулировать вязкопластические свойства, жесткость, структурную прочность бетонных смесей, при экструзионном формовании изделий.

Наиболее информационным показателем, определяющим стойкость бетона к воздействиям внешних нагрузок, является релаксация напряжений. Релаксация напряжений в бетоне, по существу, представляет собой аддитивный процесс взаимодействия цементного камня с заполнителями и арматурой. От степени взаимодействия цементного камня с песком, крупным заполнителем, арматурой зависят деформационно-прочностные свойства железобетонных изделий. В связи с этим представляет интерес изучение процессов релаксации, определение остаточных внутренних напряжений на примере модельных систем. Отформованные по стандартной методике образцы в виде цилиндров диаметром и высотой 10 см, армированные прутком 5 мм, испытывались на релаксацию напряжений на приборе УТС-10 «Тестехник». Начальное напряжение испытаний принимали в зависимости от предельного напряжения вырыва арматуры [_р] из тела зафиксированного образца-цилиндра на столе испытательного прибора: [₀] = 0,05 [_р].

В таблице 3 представлены результаты измерений разрушающего напряжения [_р] при вырыве арматуры из тела бетона. При этом принимаем, что [_р] сопоставимо с адгезионной прочностью системы бетон - арматура.

Анализ полученных результатов показывает, что сплошность материалов, содержащих модификаторы, значительно улучшается за счет образования однородной кристаллической фазы цементного камня и предопределяет большую адгезионную прочность камня с арматурой. Это взаимодействие наиболее эффективно при использовании модификаторов МБП-14 и КМ-21, макромолекулы которого с «привитыми» частицами цемента при формировании структуры бетона играют роль центров кристаллизации, мигрируют в дефектные зоны бетона - макропустоты, а не концентрируются вокруг арматуры, снижая ее сцепление с цементным камнем. Визуальное наблюдение под микроскопом подтверждает отсутствие фрагментов полимера на поверхности контакта цементного камня с арматурой.

Таблица 3 - Разрушающегося напряжения при вырыве арматуры из тела бетона

Модификатор, % от массы цемента	Прочность при растяжении, [р], МПа
Без модификатора	35-37
0,2 % МБК-7	41-43
0,3 % МБК-7	45-47
0,4 % МБК-7	46-51
0,5 % МБП-14	49-53
0,6 % МБП-14	49-52
0,65 % МБП-14	49-53
0,6 % КМ-21	46-48
0,7 % КМ-21	45-47
0,8 % КМ-21	40-43

Из анализа полученных кривых релаксации напряжений следует, что скорость релаксации исследуемых композиций изменяется симбатно. Бетонные композиции, содержащие полимерные компоненты (МБП-14 и КМ-21), имеют наименьшие внутренние напряжения, что может быть связано с лучшей структурной организацией цементного камня. В исследуемом диапазоне времени остаточное напряжение _ост остается еще достаточно высоким для модифицированного бетона 0,5 МПа, для немодифицированного бетона 0,600,65 МПа. Релаксация бетона с полимерными модификаторами происходит при достаточно высоком начальном напряжении - 2,0 МПа через 600 мин, что, по-видимому, связано с реализацией механизма «расщепления» макромолекул ПВХ в дефектных зонах бетона.

Внутренние остаточные напряжения в структурно модифицированных бетонах практически исчезают через 15-20 сут, тогда как бетоны без модификатора имеют микронапряжения в течение 30 и более суток. Остаточные микронапряжения в бетоне являются причиной образования микротрещин в процессе формирования макроструктуры бетона, концентрация локальных микронапряжений на границе раздела фаз цементный каменьзаполнитель и цементный каменьарматура.

В зоне сжатия при экструзионном формовании изделий бетонная смесь представляет собой гомогенную массу с достаточно стабильными вязко-пластичнескими и структурными свойствами, определяемыми кинетикой кристаллизации новообразований, в процессе твердения бетона. От характера протекания этого процесса зависят деформационно-прочностные свойства бетонной смеси при экструзионном формовании и эксплуатационные свойства бетона. Так, при содержании 1 % МБК-7 наблюдается повышение прочности при сжатии и изгибе, модуля упругости и снижение относительных деформаций бетона на 10-12%. Эти же композиции при микроармировании базальтовым волокном имеют еще более высокие прочностные характеристики при сжатии (42,2-47,1 МПа) и изгибе (3,94-4,01 МПа). При использовании в качестве модификатора КМ-21 и микроармировании волокном прочность при сжатии и изгибе, модуль упругости на 5-10% выше аналогичных показателей бетона, модифицированного добавкой МБК-7.

Таким образом, разработанные структурно модифицированные бетоны обладают высокими прочностными свойствами, более совершенной макроструктурой за счет образования микросферолитных кристаллов в микропорах бетона и миграции в микропоры высокоподвижной кремнийорганической олигомерной добавки. Улучшение прочностных свойств обусловлено также микроармированием цементной составляющей бетона базальтовым волокном. Значительное улучшение реологических показателей жесткого бетона достигается за счет содержания в композиции олигомерных продуктов и в большей мере - суперпластификатора С-3. При комбинации в модификаторе низко- и высокомолекулярных полимерных продуктов проявляется синергический эффект. Ускорение релаксации напряжений в образцах из модифицированного бетона до 15-20 сут (28-30 сут для немодифицированного бетона) обусловлено присутствием в напряженных зонах гибкоцепных макромолекул ПВХ. Использование комплексного модификатора КМ-21, как показывают экспериментальные данные, позволяет получать изделия с гарантированной несущей способностью и долговечностью.

5. Опытно-промышленные и производственные работы по внедрению результатов исследований. Технико-экономическая эффективность разработки

Производство плит перекрытий из структурно-модифицированного бетона по экструзионной технологии освоено на Карагандинском заводе железобетонных изделий ТОО «Нурхан». В качестве формовочной машины использован экструдер конструкции Д.О. Байджанова, оснащенный вибратором.

В результате выполнены научных исследований и опытно - промышленных испытаний получены исходные данные и разработаны нормативные документы на производство олигомер-полимерных модификаторов и экструзионных плит перекрытий с использованием модифицированных бетонов и плетеносварной арматуры. Использованы модифицирующие олигомерные и полимерные структурообразователи, механоактивированный цемент с высокой активностью, модифицированный жесткий бетон с улучшенными технологическими и эксплутационными свойствами.

Научное сопровождение проекта на всем технологическом цикле осуществлялось совместно с инженерно-техническими и научными работниками ТОО «Нурхан» и Казахстанского многопрофильного института реконструкции и развития (далее КазМИРР) при Карагандинском государственном техническом университете. Выпущены опытные и опытно-промышленные партии железобетонных плит методом экструзии.

Производственные испытания проводились на рабочих составах жесткого бетона (25-30с). Объем опытной и опытно-промышленной партий составил 250 и 1250 м³ соответственно. Модификаторы для производственных испытаний представлял институт КазМИРР.

Результаты испытаний структурно модифицированного бетона представлены в таблице 5. Для ускорения твердения бетона и снижения уровня остаточных напряжений производилась термовлажностная обработка (ТВО) изделий.

Изготовленные многопустотные плиты прошли стендовые испытания в сравнении с плитами на основе немодифицированного бетона.

Экономический эффект от выпуска опытно-промышленной партии плит в объеме 1250 м³ за счет применения метода экструзии и использования структурно модифицированного бетона составил 700000 тенге или 560-600 тенге на 1м³ бетона в сравнении с производством плит на основе немодифицированного бетона по традиционной технологии.

Таблица 5 - Результаты производственных физико-механических испытаний структурно модифицированного бетона

Модификатор, % от массы цемента	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Остаточное напряжение, МПа
		после ТВО	через 28 сут после ТВО
Без добавок	2300	24,0	32,2	2,0-3,0
0,3 % МБК-7 +5,0 % БВ	2300	30,0	37,4	1,0-1,2
0,6 % МБП-14 +5,0 % БВ	2300	27,7	37,3	0,2-0,4
0,7 % КМ-21 +5,0 % БВ	2300	31,3	39,7	0,4-0,5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан метод модифицирования структуры цементных систем введением комплексных органоминеральных добавок, включающих суперпластификатор, поливинилхлорид и кремнийорганический олигомер. Установлено, что осевшие на поверхности макромолекул ПВХ частицы цемента образуют новые центры кристаллизации цементирующих новообразований мелкосферолитной структуры. Под воздействием внутренних напряжений при твердении бетонной смеси макромолекулы ПВХ мигрируют в поры бетона и заполняют микропустоты, что улучшает микроструктуру цементного камня и структуру бетона.

Базальтовое волокно армирует цементные системы на микроуровне в незанятых заполнителями объемах бетона. Показано, что волокно ориентируется параллельно движению экструзионной массы и в процессе твердения бетона повышает его деформативно-прочностные свойства.

2. Комплексное использование структурного (ПВХ), макрообъемного (базальтовое волокно) модификаторов, суперпластификаторов и гидрофобизирующей кремнеорганической добавки («КО Силор»), позволяет целенаправленно регулировать технологические и эксплуатационные свойства бетона. Установлено, что ПВХ повышает скорость релаксации напряжений и снижает уровень остаточных напряжений за счет снижения дефектных зон (микро- и субмикротрещины), благодаря чему достигается изотропность прочностных свойств. Микроармирование бетона базальтовым волокном повышает прочностные свойства на 12-25% и снижает водопоглощение на 25-40%.

3. Разработана технология механохимической активации цемента с олигомер-поливинхлоридами в струйных мельницах. Показано, что при давлении 0,4-0,6 МПа на поверхности ПВХ «прививаются» микрочастицы цемента, которые при затворении водой образуют дополнительные центры кристаллизации цементирующего вещества и способствуют возрастанию доли мелкосферолитной структуры в цементном камне, что улучшает его структуру и свойства. Установлено, что степень кристалличности камня из механохимически активированного цемента с олигомер-полимерным модификатором (МБК-14) достигает 70%.

Оптимизированы технологические параметры механохимической активации цемента в струйно-вихревых агрегатах вертикального типа.

4. Реологические исследования экструзионного бетона с разработанными модификаторами показали возможность прогнозирования технологических параметров экструзии. Показано, что экструзию бетонной смеси следует проводить на стадии начала кристаллизации цементной системы. На этой стадии достигается максимальная производительность экструдера. Технологические свойства бетонной смеси с модификаторами МБК-7, МБП-14 и КМ-21 значительно улучшаются. Максимальный эффект течения бетонной смеси достигается при использовании КМ-21.

5. Усовершенствованная конструкция шнека экструдера, оснащенного соосным вибратором, позволяет максимально заполнять уплотненной бетонной смесью межвитковое пространство шнека, что способствует повышению сплошности потока формуемого материала и, как следствие - повышению производительности экструдера. Повышение плотности материала в экструдере сопровождается отжатием воды, что позволяет сократить сроки достижения максимальной прочности плит до 1-3 сут.

6. Теоретически и экспериментально показан механизм действия модификаторов МБК-7, МБП-14 и КМ-21 на структуру и свойства цементных систем. Присутствующие в модификаторах суперпластификатор и олигомер улучшают реологические свойства и удобоукладываемость жесткой бетонной смеси. За счет «прививки» частиц цемента на макромолекулах ПВХ и формирования на них дополнительных центров кристаллизации, миграции ПВХ в микропоры бетона с последующим образованием в процессе твердения микросферолитных кристаллических структур, а также миграции в микропоры высокоподвижного гидрофобизирующего кремнеорганического олигомера, входящих в состав комплексных модификаторов, повышается плотность и улучшается деформативно-прочностные свойства бетона, определяющие его эксплуатационную надежность.

7. Бетонные плиты перекрытий, полученные методом экструзии на основе модифицированных цементных систем, обладают комплексом свойств, обеспечивающих долговечность, гарантированную работоспособность и качество.

8. Опытно-промышленные испытания показали, что экономическая эффективность от внедрения результатов настоящей работы составляет 560-600 тенге на 1м³ железобетонных плит. Косвенным достигаемым эффектом является сокращение сроков изготовления железобетонных плит.

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленные задачи, включающие разработку экструзионной технологии формования структурно модифицированного бетона, исследования его физико-механических свойств, опытно-промышленные испытания, полностью решены.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты, научные положения и выводы рекомендуются к использованию специалистами строительной индустрии, вузов, НИИ, малого и среднего бизнеса.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты исследований могут быть использованы для внедрения в производстве. Опытно-производственное опробование технологии подтвердило технико-экономическую эффективность применения экструзионного способа получения железобетонных изделий из модифицированного предлагаемыми добавками бетона с армированием плетеносварными сетками.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Анализ литературы, а также полученные научно-технические результаты, научная новизна диссертации свидетельствуют о соответствии выполненной работы современному уровню. Основным результатом является установление возможности применения экструзионного способа для изготовления железобетонных изделий, армированных плетеносварными сетками.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т., Кенжеалиев М.М., Рожков А.В. Структурообразование в цементом камне при механоактивации // Наука и образование без границ-2008: материалы Междунар. научно-практ. конф. Перемышль, 2008. С.71-75.

2. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т., Кенжеалиев М.М., Рожков А.В. Механоактивация цемента оглигомер-полимерными модификаторами // Наука и образование без границ-2008: материалы Междунар. научно-практ. конф. Перемышль, 2008.С.76-78.

3. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т., Кенжеалиев М.М. Влияние оглигомер-полимерных модификаторов на цементные бетоны // Наука: теория и практика -2008: материалы Междунар. научно-практ. конф. Прага, 2008. С.66-70.

4. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т., Кенжеалиев М.М., Копбалина Н.С. Особенности влияния модификаторов на эксплуатационные свойства бетонов // Актуальные проблемы современности. Караганда, 2009. -№14 (48). С.12-16.

5. Байджанов Д.О., Кропачев П.А., Токанов Д.Т. Реологические свойства модифицированного бетона // Труды университета. Караганда, 2010.-№2 (39) С.67-70.

6. Байджанов Д.О., Кропачев П.А., Токанов Д.Т., Жолмагамбетов С.Р., Копбалина Н.С. Натурные исследования и усиление монолитных железобетонных конструкций углеродными фиброволокнами // Труды университета. Караганда, 2009. - №3 (36). С.51-53.

7. Нугужинов Ж.С., Рахимов М.А., Токанов Д.Т. Материалы для восстановления и ремонта конструкций, эксплуатирующихся в климатических условиях Центрального Казахстана // Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве: материалы Междунар. конф. Санкт-Петербург, 2007 С.365-371.

8. Токанов Д.Т. Натурные испытания бетонных и железобетонных изделий при строительстве объекта высотного комплекса «Бизнес-Центр Москва» в г. Астане // Актуальные проблемы современности. Караганда, 2009. №9 (43). С.40-42.

9. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т. Исследование влияния гидрофобизирующей добавки ГМЖ-С при ремонтно-восстановительных работах // Актуальные проблемы современности. Караганда, 2009. - №12 (46). С.9-12.

10. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т. Кенжеалиев М.М., Оспанов Н.М. К вопросу влияния модификаторов на свойства бетонов // Современные вопросы мировой науки - 2010: материалы Междунар. научно-практ. конф. Прага, 2010. С.50-55.

11. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т. Получение агломерированных модификаторов // Актуальные проблемы современности. Караганда, 2010. -№ 6(56). С.98-101.

12. Токанов Д.Т. Деформационно-прочностные свойства модифицированных бетонов // Актуальные проблемы современности. Караганда, 2010. -№ 6(56). С.90-94.

13. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т., Ионова И.А., Оспанов Н.М. Исследования свойств бетона в условиях сухого жаркого климата с гидрофобизирующими добавками // Дни науки - 2010: материалы Междунар. научно-практ. конф. Прага, 2010. С.87-91.

14. Байджанов Д.О., Токанов Д.Т. Влияние механоактивационного цемента на структурообразование цементного камня // Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»: материалы Междунар. научн. конф. - Караганда, 2010. - С.322-325.

...