Повышение трещиностойкости слоистых бетонных изделий с декоративным полимербетонным защитным слоем

Размещено на http://www.allbest.ru/

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Повышение трещиностойкости слоистых бетонных изделий с декоративным полимербетонным защитным слоем

МОИСЕЕНКО Ксения Сергеевна

Москва - 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Алимов Лев Алексеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Магдеев Усман Хасанович

- кандидат технических наук, доцент

Суханов Михаил Александрович

Ведущая организация- Государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт

Московского строительства «НИИМосстрой»

Защита состоится «____» _____________2011 года в __________часов на заседании диссертационного совета Д212.138.02 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, в аудитории № 419 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «______»__________2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного советаАлимов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Слоистые защитно-декоративные изделия с полимербетонным слоем, имитирующие горные породы, нашли широкое применение для дорожных и тротуарных покрытий, а также для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений. Однако в ряде случаев слоистые декоративные бетонные изделия в неблагоприятных условиях эксплуатации выходят из строя вследствие их разрушения в виде растрескивания и отслоения полимербетонного слоя. Главной причиной разрушения в этом случае является низкая прочность сцепления и несовместимость температурно-влажностных деформаций полимербетонного слоя и основного бетона в водонасыщенном состоянии при замораживании.

Решение задачи повышения трещиностойкости слоистых декоративных бетонных изделий заключается в обеспечении совместной работы слоев путем регулирования рельефа контактной зоны, учета температурно-влажностных деформаций, прочностных и деформативных свойств слоев, их толщины и протяженности контакта между ними.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Цель и задачи исследований

Основной целью диссертации является получение слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием для изделий, работающих в суровых условиях эксплуатации как структурно-целостные материалы.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обоснование получения трещиностойких изделий из слоистых бетонов с декоративным полимерным защитным покрытием;

- получение зависимостей прочностных и деформативных свойств полимерных покрытий и основного бетона от главных факторов;

- разработка составов и способа изготовления слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием;

- исследование физико-механических свойств слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием;

- разработка рекомендаций по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием и их опытно-промышленное опробование.

Научная новизна

- обосновано повышение трещиностойкости изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем путем обеспечения совместной работы слоев регулированием рельефа контактной зоны из-за «вкрапливания» в нее зерен заполнителя и создания высокоплотного бетонного основания с низким дилатометрическим эффектом; слоистый бетон полимерный покрытие

- с использованием математического метода планирования эксперимента получены многофакторные модели относительных деформаций слоистой системы от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и относительных деформаций бетонного основания, позволяющие сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния вышеуказанных факторов;

- установлено, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта, если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности;

- установлено влияние состава и структуры бетонного основания на температурно-влажностные деформации в интервале изменения температуры от +20 до -60^оС на величину аномального расширения бетона при температуре -5 - -10^оС и показано, что для высокоплотного бетона величина дилатометрического эффекта является незначительной, что обусловливает повышение монолитности строительного композита;

- показано, что у полимербетонов в отличие от бетонного основания температурно-влажностные деформации в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии в интервале температуры от -60 до +20°С не имеют аномальных расширений в области отрицательной температуры;

- экспериментально установлена кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона, которая является интегральной характеристикой, связанной с размером пор и выявляющая два характерных участка льдообразования в интервале температуры -5 - -10 ^оС и -35 - -45^оС, различающиеся по эффективному размеру пор на один или два порядка.

Практическое значение

Разработана технология получения трещиностойких слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для изделий, работающих в суровых климатических условиях. Технология включает в себя изготовление полимербетонного слоя с «вкрапливанием» в него зерен заполнителя и последующей укладки слоя высокоплотного бетона.

Разработаны слоистые изделия со следующими характеристиками слоев:

- полимербетонный: истираемость - 0.22 г/см² , - морозостойкость - F300, ударная вязкость - 22 Кдж/м², прочность при сжатии - 72 МПа, растяжение при изгибе - 20,5 МПа, адгезии к бетонной поверхности - 3.5 МПа, предельная растяжимость - 15.10^-5, сброс прочности в 5% ном растворе HCl - 3.1 %;

- бетонный: кубиковая прочность - 40 МПа, призменная прочность - 30 МПа, нижняя и верхняя границы трещинообразования - соответственно 1,4 МПа и 21,3 МПа, модуль упругости - 26.10³ МПа, предельные деформации сжатия и растяжения - соотвественно 14,6 МПа и 1,4 Мпа , коэффициент интенсивности напряжения - Кс=2.53 Мн/м^3/2, морозостойкость F300.

Внедрение результатов исследования

Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем осуществлялось на предприятии ООО «Нивелир-МПК». Была выпущена партия объемом 200 м².

Апробация работы.

Основные положения результатов работы докладывались на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ молодых ученых МГСУ в течение 2007-2011 гг, на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», проводимых в рамках реализации федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.» в течение 2007 - 2011 гг.

На защиту выносятся

- основные положения о повышении трещиностойкости изделий из слоистых декоративных бетонов с полимерным защитным слоем;

- зависимости изменения состава, структуры и свойств полимербетонного слоя и бетонного основания от главных факторов;

- многофакторные зависимости деформаций слоистой системы от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и бетонного основания с учетом температурно-влажностных деформаций, прочностных и деформативных свойств слоев;

- кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона в интервале температуры от 0 до - 60^оС;

- технология изготовления слоистых изделий с повышенной трещиностойкостью в суровых условиях эксплуатации;

- результаты опытно-промышленного опробования.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы 125 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 36 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В современном производстве декоративно-отделочных материалов, предназначенных для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений, а также для дорожных и тротуарных покрытий, все шире применяются слоистые декоративные композиты с защитным полимербетонным слоем. Натурные наблюдения показывают, что в ряде случаев слоистые декоративные бетонные изделия в неблагоприятных условиях эксплуатации разрушаются в виде растрескивания и отслоения полимербетонного слоя, вызванного несовместимостью температурно-влажностных деформаций полимербетонного слоя и основного бетона при замораживании. Бетонное основание в водонасыщенном состоянии при температуре -5 - -10^оС имеет аномальное расширение, а полимербетонный слой сжатие. В этом случае декоративно-отделочный композит находится в напряженном состоянии, которое может вызвать следующие виды разрушений: растрескивание поверхностного полимербетонного слоя, сдвиг его относительно бетонного основания, а также отслоение от бетонного основания из-за давления льда, образовавшегося под плотным поверхностным слоем.

В связи с тем, что бетонное основание является капиллярно-пористым телом, то при увлажнении оно может иметь значительные влажностные деформации, а при замораживании аномальное расширение в интервале температуры -5 - -10^оС. Величина этой деформации характеризуется «приведенным удлинением», представляющим собой разность деформаций высушенного до постоянной массы бетона и в насыщенном водой состоянии.

Величина «приведенного удлинения» зависит от объема капиллярных пор, чем выше пористость, тем больше «приведенное удлинение» и больше разность деформаций между полимербетонным слоем и бетонным основанием. В этом случае возникающие напряжения приводят к отслоению и растрескиванию поверхностного слоя.

Для обеспечения монолитности слоистого композита необходимо использовать бетонные основания с низкой пористостью и, следовательно, с минимальным аномальным расширением, которое является основной причиной возникновения напряженного состояния в контактной зоне между слоями.

Для повышения трещиностойкости, снижения возможности отслоения полимербетонного слоя и обеспечения совместной работы слоев необходимо увеличить площадь контактной зоны путем «вкрапливания» в нее зерен заполнителя.

При этом необходимо было изучить влияние вида связующего и наполнителя на прочностные и деформативные свойства покрытия, произвести выбор компонентов и провести подбор составов, обеспечивающих требуемые физико-технические свойства полимербетонов, и разработать технологию их получения.

Введение в состав полимерных композиций различных красителей и пигментов позволяет получать материал с заданными цветовыми и фактурными параметрами, не уступающими по своим свойствам природному камню. В качестве защитно-декоративного полимерного слоя при использовании декоративно-облицовочного материала могут использоваться полимербетонные композиции, состоящие из полимерных вяжущих, тонкодисперсных наполнителей, красителей и модификаторов составов. В качестве основных вяжущих веществ могут быть использованы эпоксидные, полиэфирные, акриловые и полиуретановые смолы.

Для установления необходимых зависимостей, обеспечивающих монолитность слоистых изделий в различных эксплуатационных условиях, были использованы следующие материалы.

В качестве вяжущих веществ для декоративных бетонов были использован портландцемент марки М500 (ЦЕМ I 42,5Н) Ульяновского завода и марки М500 (ЦЕМ I 42,5Н) Катавского завода, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10178-85, Свойства цементов представлены в табл.1, химический состав клинкера в табл. 2, минералогический состав в табл. 3.

Таблица 1 Характеристики используемых цементов

№ п/п	Наименование цементов	Активность, МПа	Сроки схватывания, ч. мин.	Удельная поверхность, м2/кг	Нормальная густота, %
			начало	конец
1	Ульяновский	49,6	3ч. 25мин	4ч. 36мин.	352	26,5
2	Катавский	45,0	2ч. 30мин.	3ч. 12 мин.	347	27,47

Таблица 2 Химический состав клинкера

№ п/п	Наименование цементов	Содержание оксидов, %	ппп
		Si02	Ca0	А120з	Fе20з	MgO	Na2O	К2O	S0з	R2О
1	Ульяновский	20,80	65,25	5,90	4,35	0,92	0,35	0,82	1,35	0,89	0,79
2	Катавский	21,12	64,20	5,79	4,47	2,03	0,33	0,97	0,24	0,97	0,63

Таблица 3 Минералогический состав клинкера

№ п/п	Наименование цементов	Содержание основных минералов, %
		СзS	C2 S	СзА	C4 AF
1	Ульяновский	57,0	17,0	8,0	13,0
2	Катавский	51,95	21,35	7,76	13,6

В качестве органических связующих были использованы:

- эпоксидная смола ЭП-2146. Прочность на сжатие - 85 МПа, прочность при растяжении - 25,5 МПа,

- полиэфирная смола ПН-1.Прочность на сжатие - 65 МПа, прочность при растяжении - 12,5 МПа,

- полиуретановый компаунд (ПУ). Прочность на растяжение - 10,5 МПа.

- полиакриловая смола АС. Прочность на сжатие - 74 МПа, прочность на растяжение - 20,5 МПа,

Был применен песок Люберецкого карьера с модулем крупности М_КР = 1,35 и содержанием пылевидной фракции (0 - 0,14 мм) в количестве 5%. Рассев песка по фракциям представлен в табл. 4.

Таблица 4 Рассев кварцевого песка по фракциям

Номера сит, мм	Остатки на ситах, %
	Частные	Полные
1,25	5,0	5,0
0,63	10,0	15,0
0,314	15,0	30,0
0,16	55,0	85,0
Менее 0,16	15,0	100,0

Модуль крупности М_КР. = (А_1,25 +А_0,63 + А_0,315 + А_0,16)/100

М_КР. = (5 + 15 + 30 + 85)/100 = 1,35

Химический состав песка представлен в табл. 5.

Таблица 5 Химический состав песка Люберецкого карьера

Содержание оксидов, %
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	R2O	п.п.п.	SiO2+Al2O3
70 - 100	0 - 12	0 - 5	0 - 8	0 - 5	0 - 6	0 - 2	1,26	2,7

Щебень гранитный Токовского месторождения с насыпной плотностью - 1290 кг/м³, насыпной плотностью в виброуплотненном состоянии - 1454 кг/м³, плотностью - 2,5 г/см³, водопоглощением по массе - 0,58% и водопотребностью - 3,1%.

В качестве пластифицирующей добавки в соответствии с ГОСТ 24211-91 «Добавки для бетонов. Общие технические требования» был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), соответствующий ТУ 6-36-0204229-625-90, произведенный п/о «Оргсинтез» в г. Новомосковск Тульской области и состоящий из продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида.

В качестве пигментов были использованы: сурик железный (красный) с удельной поверхностью около 980 м²/кг, черный - технический углерод марки ПМ-15 с удельной поверхностью 1460 м²/кг, белый - мел, желтый - охра, отвечающие требованиям ГОСТ 15825-70. Эти пигменты имеют высокую химическую стойкость и светостойкость.

Для разработки составов защитно-декоративного слоя, имитирующего природный камень, были проведены систематизированные исследования физико-механических и эксплуатационных свойств полимербетонных композиций, а также их декоративности с целью создания защитно-декоративного слоя на бетонном основании, осуществив выбор оптимальных вяжущих и составов на их основе.

Изготовление образцов полимербетонов производилось следующим образом. Перемешивание компонентов состава осуществлялось в лабораторном смесителе периодического действия объемом 3 л. Время перемешивания компонентов смеси варьировалось от 5 до 10 минут до получения однородной гомогенной массы при отсутствии расслоения смеси после перемешивания.

Отверждение полимербетонов происходило при комнатной температуре с применением стандартных отвердителей и катализаторов отверждения (для смесей на основе эпоксидной, полиэфирной и полиуретановой смолы) или на воздухе (для смесей на основе акриловой смолы), где инициатором отверждения является кислород воздуха или пары воды.

Испытание образцов проводилось в возрасте 7 суток после начала отверждения и нормального условия их хранения.

Образцы-балочки из полимербетона размером 4х4х16 см были испытаны по ГОСТ 10180 на прочность при сжатии и на растяжение при изгибе. Водопоглощение, водостойкость и химстойкость композиций в 5% растворах соляной кислоты, едкого натрия и хлористого натрия определялись на образцах полимербетонов толщиной 4-5мм по ГОСТ 13087-81. Водо- и химстойкость определялись по сбросу прочности на растяжении при изгибе образцов после их выдержки в течение 24-х часов в воде или агрессивных средах по сравнению с прочностью контрольных образцов, хранившихся в естественных условиях.

В табл. 6-9 приведены основные физико-механические и эксплуатационные свойства полимербетонных композиций на основе выбранных смол.

Таблица 6 Свойства полимербетонных композиций на основе эпоксидной смолы ЭП-2146

№ п/п	Состав композиции масс. ч.	Проч-ность на сжатие, МПа	Прочность на растяжение, МПа	Водопоглощение, % масс.	Водо- и химстойкость за 24 часа, % сброса прочности	Износо-стой-кость, г/см2
				за 24 часа	за 7 суток	в воде	в 5% р-ре НС1	в 5% р-ре NаОН	в 5% р-ре NаС1
1.	ЭС+ отвердитель без наполнителя	85,0	25,5	0,3	0,55	3,2	4,3	4,0	3,5	0,25
2.	ЭС(100)+наполнитель (50)+отвердитель	82,0	23,2	0,21	0,44	3,0	4,1	3,7	3,4	0,21
3.	ЭС (100) + наполнитель(100) +отвердитель	82,7	24,0	0,18	0,38	2,2	3,2	2,7	2,6	0,18
4.	ЭС(100)+ наполнитель (150)+от-вердитель	87,8	21,2	0,15	0,31	2,0	3,1	2,2	2,3	0,18
5.	ЭС(100)+ напол-нитель (200)+отвердитель	97,2	35,6	0,1	0,2	1,2	2,7	2,6	1,8	0,19
6.	ЭС(100)+ наполнитель (300) + отвердитель	75,4	23,0	0,25	0,28	2,5	3,2	2,8	2,7	0,15

Таблица 7 Свойства полимербетонных композиций на основе полиэфирной смолы ПН-1

№ п/п	Состав композиции, масс. ч.	Проч-ность на сжатие, МПа	Прочность на рас-тяжение, МПа	Водопоглоще-ние, % масс.	Водо- и химстойкость за 24 часа, % сброса прочности	Износо-стойкость, г/см2
				за 24 часа	за 7 суток	в воде	в 5% р-ре НС1	в 5% р-ре HОН	в 5% р-ре NаС1
1.	ПЭф+ отвердитель без наполнителя	65,0	12,5	0,55	0,9	4,4	5,5	5,5	4,8	0,3
2.	ПЭф (100) +напол-нитель (50)+ отвердитель	65,5	12,7	0,53	0,85	4,2	5,2	5,0	4,0	0,28
3.	ПЭф (100) +напол-нитель (100)+ отвердитель	72,0	20,5	0,3	0,6	3,1	4,4	4,5	3,8	0,22
4.	ПЭф(100)+ наполнитель (150)+ отвердитель	68,0	18,1	0,41	0,78	4,4	5,2	5,6	4,3	0,28
5.	ПЭф(100) +наполнитель (200) + отвердитель	54,5	10,2	0,52	0,92	5,0	5,5	5,8	4,9	0,35

Таблица 8 Свойства полимербетонных композиций на основе полиуретанового компаунда (ПУ)

№ п/п	Состав композиции, масс. ч.	Прочность на растяже-ние, МПа	Водопоглощение, % масс.	Водо- и химстойкость за 24 часа, % сброса прочности	Износо-стойкость, г/см2
			за 24 часа	за 7 суток	в воде	в 5% р-ре НС1	в 5% р-ре NaOH	в 5% р-ре NаС1
1.	ПУ + отвердитель без наполнителя	10,5	0,1	0,25	1,5	5,5	3,0	1,2	0,1
2.	ПУ (100) +напол-нитель (50) + от-вердитель	11.4	0,1	0,20	1,5	5,4	2,5	1,1	0,08
3.	ПУ (100) +напол-нитель (100) +от-вердитель	12,0	0,07	0,1	1,0	5,0	2,0	0,09	0,06
4.	ПУ (100) +напол-нитель (150) + от-вердитель	8,6	0,15	0,31	1,8	5,8	3,5	1,3	0,1

Таблица 9 Свойства полимербетонных композиций на основе полиакриловой смолы АС

№ п/п	Состав композиции, масс. ч.	Проч-ность на сжатие, МПа	Прочность на растяжение, МПа	Водопоглощение, % масс.	Водо- и химстойкость за 24 часа, % сброса прочности	Износостой-кость, г/см2
				за 24 часа	за 7 суток	В 5% р-ре НС1	в 5% р-ре NaОН	в 5% р-ре NаС1
1.	АС без наполните-ля	74,0	20,5	0,2	0,35	2,5	2,5	0,2	0,08
2.	АС(100) + напол-нитель (50)	65,6	77,8	0,45	0,81	4,2	4,3	2,5	0,15
3.	АС(100) + напол-нитель (100)	55,4	15,1	0,66	1,0	5,2	5,8	3,4	0,25

Примечание: во всех составах в качестве наполнителя использовался молотый кварцевый песок.

В табл.10 приведены физико-механические и эксплуатационные свойства оптимальных составов.

Таблица 10 Оптимальные составы наполненных полимербетонных композиций

№ п/п	Физико-механические и эксплуатационные показатели составов	Вид полимербетонных композиций
		на основе ЭС	на основе ПЭФ	на основе ПУ	на основе АС
1	Предел прочности при сжатии, МПа	97,2	72,0	-	74,0
2	Предел прочности на растяжение при изгибе, МПА	35,6	20,5	12,0	20,5
3	Водопоглощение за 7 суток, % масс.	0,2	0,6	0,1	0,35
4	Водостойкость за 24 часа, % сброса прочности	1,2	3,1	1,0	3,6
5	Стойкость к 5% р-ру НСl, % сброса прочности	2,7	3,1	1,0	3,6
6	Стойкость к 5% р-ру NaOH, % сброса прочности	2,6	4,5	2,0	2,5
7	Стойкость к 5% р-ру NaCl, % сброса прочности	1,8	3,8	0,09	0,2
8	Износостойкость покрытий, г/смІ	0,19	0,22	0,06	0,08
9	Адгезия к бетонной поверхности, МПа	5,5	3,8	1,9	2,8

На основании экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что приготовленные по вышеописанной методике полимербетонные покрытия на бетонном основании обладают всем требуемым комплексом свойств, предъявляемых к защитно-декоративным покрытиям, а по сравнению с покрытием полов на основе бетона на цементном вяжущем во многом превосходят их. Предварительная оценка декоративных свойств полимербетона показала, что они практически могут имитировать текстуру природного камня.

Для определения свойств покрытий были изготовлены образцы из полимербетонов на основе ЭС смолы, выбранной на основании результатов, приведенных в табл. 10.

Полимербетонные (покрытия) были нанесены на бетонные образцы, приготовленные заранее. Полимербетон наносили толщиной 2 мм для полиакриловой смолы и 3 мм для полиуретановой на поверхность образцов. Образцы отверждались в течение 7 дней при температуре 20°С в естественных условиях при влажности 70%.

После отверждения образцы подвергались испытаниям на истираемость, водостойкость, морозостойкость, стойкость к удару, а также на стойкость к УФ излучению. Результаты испытаний приведены в табл. 11

Таблица 11 Результаты испытаний

Вид покрытия	Истирае-мость, г/смІ	Морозостойкость, отслоение покрытия после 300 циклов в солях	Ударная вязкость, Кдж/мІ	Стойкость к УФ излучению, после 28 циклов	Водойстой-кость, % за 7 суток
Фрагмент с эпоксидным покрытием	0,05	отсутствует	22,5	Без изменения	0,5
Фрагмент с полиакриловым покрытием	0,08	отсутствует	14,2	Без изменения	0,4

Как видно из данных, приведенных в табл. 11, изделия с полимербетонным покрытием обладают хорошей сопротивляемостью к истиранию, значительно ниже истираемости цементных бетонов. Нанесение полимербетонов позволяет значительно (в 3-4 раза) увеличить ударную прочность образцов, причем большая эластичность покрытия из эпоксидной смолы повышает ударную прочность материала больше, чем аналогичных покрытий из полиакриловой смолы.

Испытания фрагментов изделий показывают хорошую морозостойкость покрытий и стойкость к УФ излучению. Так, после 300 циклов попеременного замораживания-оттаивания образцов (замораживание происходило при -50°С в солевых растворах) не наблюдается отслоения полимербетонных покрытий от бетонного основания и нарушения целостности покрытия после их испытания к действию УФ излучения. Изделия обладают высокой водостойкостью.

Для ускорения сроков твердения полимербетонов осуществлено отверждение полимерных композиций при повышенной температуре. Установлено, что увеличение температуры отверждения полимербетонных композиций до 70 - 80°С позволяет получать готовое изделие через 4-6 часов после начала отверждения композиций.

На полимербетонных образцах были определены коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР) и температурно-влажностные деформации. Результаты измерений представлены на графике (рис.1а).

В результате проведения исследований установлено, что КЛТР декоративных полимербетонов с коэффициентом наполнения Кн =2-4 в интервале температуры от -60 до +20°С составляет 1,3*10^-5. Установлено также, что в разработанных составах полимербетонов отсутствуют аномальные деформации расширения при отрицательной температуре. Это свидетельствует об их высокой морозостойкости, что подтверждается прямыми испытаниями этих материалов.

Однако истираемость полимербетонов далеко не однозначно связана с соответствующими показателями связующего и наполнителя. В табл. 12 приведены показатели истираемости полимербетонов и различных видов наполнителей с разным коэффициентом наполнения.

Таблица 12 Показатели истираемости полимербетонов

Вид наполнителя	Значение истираемости в г/смІ при Кн
	2,0	2,5	3,0
Кварцевый песок	0,4	0,38	0,37
Гранитная крошка	0,33	0,32	0,35
Мраморная крошка	0,43	0,4	0,39
Крошка из стекла	0,68	0,65	0,66

Из табл. 12 видно, что наполнитель существенно влияет на истираемость полимербетонов. Наихудшей истираемостью обладают полимербетонные покрытия на гранитной крошке.

Для установления прочностных и деформативных свойств бетонов и были выработаны 11 составов бетона, приведенные в табл. 13.

Принятые составы обеспечивали получение 3 марок: М200, М250, М300. Для каждой марки бетона были выбраны 3-4 состава, отличающиеся удобоукладываемостью.

Исследование прочностных и деформативных характеристик бетонов проводилось на образцах-призмах размером 10х10х40 см и кубах 10х10х10 см.

Таблица 13 Составы исследуемых бетонов

№ составов	Марки бетона	Удобоукладываемость	Цемент кг/мі	Вода кг/мі	Песок кг/мі	Щебень кг/мі	В/Ц
1	200	50 с	262	175	684	1305	0,67
2		2 см	300	200	625	1261	0,67
3		8 см	330	220	580	1228	0,67
4	250	50 с	306	175	660	1290	0,57
5		2 см	341	195	609	1256	0,57
6		5 см	367	210	580	1228	0,57
7		8 см	385	220	551	1210	0,57
8	300	50 с	297	175	660	1290	0,59
9		2 см	374	220	554	1219	0,59
10		5 см	527	310	477	1081	0,59
11		8 см	595	350	204	1030	0,59

Каждую призму перед испытанием на центральное сжатие центрировали по физической оси. Нагрузка на призмы давалась ступенями, равными 0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки с выдержкой на каждой ступени нагружения 5 мин. Измерение приращения продольных (Де_прод) и поперечных (Де_поп) деформаций образцов производили дважды: в начале и в конце выдержки нагрузки на каждой ступени. Для этой цели использовались электротензодатчики активного сопротивления с базой 50 мм и электронный измеритель деформаций АИД-IМ.

На образцах указанных составов определяли начальный модуль упругости как отношение нормального напряжения в бетоне (у) к его полной относительной продольной деформации () при напряжении сжатия у = 0,2Rпр.

Деформативную способность бетонов оценивали по величинам полных относительных продольных и поперечных деформаций, определенных при напряжениях сжатия соответствующих нижней () и верхней () границам области образования микротрещин, а также при у= 0,92Rпр.

Для определения и в процессе нагружения образцов производили измерение времени прохождения через бетон продольных ультразвуковых волн. Прозвучивание производилось с помощью прибора УКБ-I по четырем направлениям: двум - перпендикулярным по отношению к сжимающей нагрузке и двум - диагональным.

Результаты исследования приведены в табл. 14.

Таблица 14 Свойства бетонов

№ пп	Прочность при сжатии, МПа	Параметры микротрещинообразова-ния, МПа	Модуль упругости Е*10і МПа	Предельные деформации, у*
	кубиковая	призменная	нижний	верхний		сжатия	растяжения
2	22,1	18,3	7,14	13,63	22,5	13,0	1,2
5	27,5	21,2	8,69	15,9	25,2	13,5	1,2
9	34,1	28,0	12,42	21,33	15,7	14,2	1,4

Показатели склонности бетонов к растрескиванию приведены в табл.15

Таблица 15 Показатели склонности бетонов к растрескиванию

№№ составов	Пористость, %	Вязкость разрушения Кс, Мн/
2	15,6	2,38
5	15,2	2,54
9	16,8	2,53

На рис. 1б представлены КЛТР и температурные деформации бетона, изготовленного на гранитном щебне. КЛТР бетона имеет незначительную

аномалию при Т= -40…-60^оС, что свидетельствует о наличии воды в очень мелких порах. Температурные деформации насыщенных водой контрольных образцов (кривая 2) имеют два характерных для цементных материалов дилатомических эффекта при Т= -5^оС и при -35 - -45^оС.

Рис. 1. Тепловлажностное расширение и КЛТР:

а - полимербетонного покрытия, б - бетона на гранитном щебне

При замораживании насыщенного водой бетона при Т= -5 - -10^оС вода замерзает в наиболее крупных порах. При этом большая часть воды переходит в лед. Увеличение объема замерзающей воды на 9% вызывает скачкообразное удлинение материала.

Фазовое состояние воды в бетонах при отрицательных температурах зависит от степени водонасыщения материала, температуры замораживания, а также от таких технологических факторов, как В/Ц, расход цемента, добавки ПАВ, условий и продолжительности твердения бетона и т.д.

Проведенные дилатометрические исследования позволили установить значения КЛТР и температурно-влажностных деформаций бетонов различных видов с различным количеством и качеством цементного камня в бетоне, кроме того, установлены причины напряженного состояния бетонов как в процессе их изготовления, так и эксплуатации.

При создании слоистого композитного материала, имеющего различные прочностные и деформативные характеристики, необходимо было обеспечить работу слоистого композита, как структурно-целостного изделия. Это может быть достигнуто выбором оптимальных соотношений модулей деформаций, коэффициентов температурного линейного расширения, а также геометрических размеров слоев.

Условия монолитности слоистой системы, состоящей из бетонного основания и полимербетонного покрытия толщиной 5,10,15 мм, были рассмотрены на фрагментах плит размером 30х30х7 см, изготовленных путем укладки цементной бетонной смеси на предварительно изготовленный полимербетонный слой.

Для этого были использованы следующие материалы. В качестве полимерного связующего был использован полиэфирный олигомер марки ПН-1 (ОСТ-6-05-481-88), отвердитель перекись метилэтилкетона (ПМЭК, ТУ6-01-465-80) и ускоритель полимеризации нафтенат кобальта (НК, ТУ6-05-1075-86). В качестве наполнителя использовалась гранитная крошка с содержанием фракции менее 0,14 мм - 3%, 0,14-0,315мм - 10%, 0,315 - 2,5 мм остальное. Коэффициент наполнения состава был равен 2,5, что обеспечивало нормальную укладку и разравнивание полимербетонной смеси.

Для бетонного основания марки М300 использовались следующие материалы: портландцемент марки М500Д0, щебень гранитный фракции 5-20 мм, песок кварцевый с модулем крупности 2,3 и водопотребностью 7%.

Для оценки физико-механических свойств защитно-декоративного слоя полимербетона были изготовлены образцы размером 4х4х16 см из следующего состава в масс. частях: ПН-1-100, ПМЭК-2, НК-3 и гранитная крошка - 250. Через 3 суток твердения в нормальных условиях проводились испытания. Получены следующие показатели: средняя плотность - 1,89 г/смі, водопоглощение - 0,34%, предел прочности при растяжении при изгибе - 45 МПа, при сжатии - 109,3 МПа, значение истираемости - 0,32 г/смІ.

Бетонное основание имело следующие показатели: прочность при растяжении - 3,3 МПа, при сжатии - 32 МПа, модуль упругости - 23,9*10і МПа, предельные деформации: сжатия - 14,5*10, растяжения - 1,3*10.

Измерение температурно-влажностных деформаций слоистого материала с помощью тензометрических датчиков сопротивления, расположенных на поверхностном полимербетонном слое фрагмента и на бетонном основании, производили через каждые 4-5°С при замораживании, что является наиболее жестким условием эксплуатации. Сравнение показаний датчиков свидетельствует о взаимном влиянии слоев на общую деформацию плиты. При понижении температуры бетонное основание удерживает деформации полимербетонного слоя. При образовании льда в интервале от -5 до -10^оС происходит скачкообразное расширение бетона и поверхностный слой препятствует этому.

Таким образом, слоистая система в данном случае находится в напряженном состоянии и могут возникнуть следующие виды разрушения: растрескивание поверхностного слоя, сдвиг его, а также отслоение от бетонного основания из-за давления льда, образовавшегося под плотным поверхностным слоем.

Чтобы исключить отслоение поверхностного слоя в результате образования льда и сдвиг его относительно основания, при изготовлении полимербетонного слоя было осуществлено «вкрапливание» зерен гранитного заполнителя. Эти зерна играют роль своеобразных «шпонок» между слоями композита. Площадь, занимаемая зернами, должна составлять не менее 50% площади контакта между слоями.

Были проведены исследования совместной работы слоев в композитах с различной толщиной поверхностного слоя и протяженностью контакта между слоями. Были получены зависимости с использованием математического метода планирования эксперимента относительных деформаций слоистой системы (Исс) от протяженности контакта между слоями (L, м), толщины поверхностного слоя (h.0,1 м) и относительных деформаций бетонного основания (е 10^-5). Факторы и уровни их варьирования представлены в табл. 16

Таблица 16 Уровни варьирования факторов

Факторы	Уровни варьирования	Интервал варьирования
Натуральный вид	Кодовый вид	+1	0	-1
Протяженность контакта, м	Х1	0,5	0,4	0,3	0,1
Относительные деформации	Х2	15	12,5	10	2,5
Толщина верхнего слоя, м	Х3	0,15	0,1	0,05	0,05

В результате вероятностно-статистической обработки экспериментальных данных была получена трехфакторная квадратичная модель относительной деформации слоистой системы:

Исс = 10,6 + 0,2 1 + 2,2 е - 2,3 h + 0,1 е² - 0,6 h² + 0,2 lе + 0,1 lh - 0,6 еh

Уровень значимости при ведении статистических вычислений был равен 0,05, что соответствует доверительной вероятности 95%. Оценка полученного многофакторного уравнения по критерию Фишера показала, что оно является адекватным.

Полученное уравнение позволяет сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния вышеуказанных факторов. Анализ показал, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае, если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности.

На основании полученной зависимости относительных деформаций слоистого композита, состоящего из бетонной матрицы и полимербетонного защитно-декоративного слоя, проведен анализ их монолитности с учетом толщины поверхностного слоя, протяженности контакта и относительных деформаций бетонного основания в насыщенном водой состоянии при замораживании.

Было установлено, что поверхностный полимербетонный слой на основе полиэфирной смолы имел предельное растяжение , а относительные деформации аномального расширения бетонного основания ( при температуре -5 - -10 °С различного состава марок по морозостойкости F50, F150, F250 соответственно имели = 15*; = 12,5*, = 10*.

На рассматриваемом слоистом компоненте, состоящим из вышеуказанных материалов, были установлены условия монолитности в зависимости от величины приведенного удлинения бетонного основания, толщины поверхностного полимербетонного слоя и его протяженности (табл.17).

Таблица 17 Характеристики слоистого композита

№	L,м	H 0,1,м		Исс*
1	0,3	0,05	10,0	9,6
2	0,4	0,05	10,0	9,6
3	0,5	0,05	10,0	9,6
4	0,3	0,10	12,5	7,4
5	0,4	0,10	12,5	10,6
6	0,5	0,10	12,5	10,8
7	0,3	0,15	15,0	8,9
8	0,4	0,15	15,0	9,4
9	0,5	0,15	15,0	9,8
0	0,3	0,24	15,0	15,5
1	0,4	0,24	12,5	15,6
1	0,5	0,24	10,0	15,5

Составы слоистых композитов с 1 по 9 имеют деформации слоистой системы менее Исс=15*, что обеспечит их монолитность при любых значениях указанных факторов. Для данного слоистого композита растрескивание наступит, когда деформации слоистого композита превысят предельную растяжимость поверхностного полимербетонного слоя 15*(составы 10,11,12).

В результате обобщения экспериментальных исследований была получена критериальная зависимость длины шага между трещинами в слоистом композите (N), приготовленном на данных материалах:

N = 0,9 - 0,04

В диссертации разработаны рекомендации по изготовлению декоративных бетонных изделий с поверхностным полимербетонным слоем, включающие в себя требования к материалам, оптимизацию составов бетонов, технологию изготовления и контроль качества изделий.

Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из слоистых декоративных бетонов с полимербетонным защитным слоем осуществлялось на предприятии ООО «Нивелир-МПК». Была выпущена партия объемом 200 м².

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обосновано повышение трещиностойкости изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем путем обеспечения совместной работы слоев регулированием рельефа контактной зоны из-за «вкрапливания» в нее зерен заполнителя и создания высокоплотного бетонного основания с низким дилатометрическим эффектом.

2. Разработана технология получения трещиностойких слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для изделий, работающих в суровых климатических условиях. Технология включает в себя изготовление полимербетонного слоя с «вкрапливанием» в него зерен заполнителя и последующей укладки слоя высокоплотного бетона.

3. С использованием математического метода планирования эксперимента получены многофакторные модели относительных деформаций слоистой системы в зависимости от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и относительных деформаций бетонного основания, позволяющие сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния вышеуказанных факторов.

4. Установлено, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта, если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности.

5. Установлено влияние состава и структуры бетонного основания на температурно-влажностные деформации в интервале изменения температуры от +20 до -60^оС, на величину аномального расширения бетона при температуре -5 - -10^оС и показано, что для высокоплотного бетона величина дилатометрического эффекта является незначительной, что обусловливает повышение монолитности строительного композита.

6. Показано, что у полимербетонов в отличие от бетонного основания температурно-влажностные деформации в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии в интервале температуры от -60 до +20°С не имеют аномальных расширений в области отрицательной температуры.

7. Экспериментально установлена кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона, которая является интегральной характеристикой, связанной с размером пор и выявляющая два характерных участка льдообразования в интервале температуры -5 - -10 ^оС и -35 - -45^оС, различающиеся по эффективному размеру пор на один или два порядка.

8. Разработаны слоистые изделия со следующими характеристиками слоев:

- полимербетонный: истираемость - 0.22 г/см² , морозостойкость - F300, ударная вязкость - 22 Кдж/м², прочность при сжатии - 72 МПа, растяжение при изгибе - 20,5 МПа, адгезии к бетонной поверхности 3.5 МПа, предельная растяжимость - 15.10^-5, сброс прочности в 5% ном растворе HCl - 3.1 %;

- бетонный: кубиковая прочность - 40 МПа, призменная прочность - 30 МПа, нижняя и верхняя граница трещинообразования - соответственно 1,4 МПа и 21,3МПа, модуль упругости - 26.10³ МПа, предельные деформации сжатия и растяжения - соответственно 14,6 и 1,4 , коэффициент интенсивности напряжения - Кс=2,53 Мн/м^3/2, морозостойкость - F300.

9. Разработаны рекомендации по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для суровых условий эксплуатации.

10. Экономическая эффективность производства слоистых изделий повышенной трещиностойкости заключается в повышении их срока службы и в снижении затрат на межремонтный период эксплуатации.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Моисеенко К.С., Алимов Л.А. Эффективные декоративные бетоны с полимерным покрытием.// В сб. Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности».- М.: МГСУ, 2009. - с. 422-423

2. Моисеенко К.С., Королева Е.Н. Эффективные декоративные бетоны в строительстве.// В сб. докладов Московская городская научно-техническая конференция студентов. -М. МГСУ, 2010. - с. 404-406

3. Моисеенко К.С., Алимов Л.А. Декоративные бетонные изделия с поверхностным полимерным слоем.// Вестник МГСУ. - М.: МГСУ, 4/2011. - с.486-490

Размещено на Allbest.ru