Дрібнозернисті цементні бетони з добавкою полімеру для ремонту мостових залізобетонних конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 624.21: 666.972.16

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ДРІБНОЗЕРНИСТІ ЦЕМЕНТНІ БЕТОНИ З ДОБАВКОЮ ПОЛІМЕРА ДЛЯ РЕМОНТУ МОСТОВИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

БУГАЄВСЬКИЙ СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології дорожньо-будівельних матеріалів Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Олександр Георгійович Ольгінський, ХГІ “Народна Українська Академія”, завідувач кафедрою “Екологія”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Вячеслав Леонідович Чернявський, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедрою “Фізико-хімічна механіка та технологія будівельних матеріалів та виробів”;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Юрій Олександрович Спірін, ВАТ “Український науково-дослідний інститут вогнетривів ім. О.С. Бережного”, завідувач лабораторією “Технологія магнезіальних вогнетривів, хіміко-аналітичні і структурно-фазові дослідження”.

Провідна установа: Донбаська державна академія будівництва та архітектури Міністерство освіти України (кафедра “Будівельних матеріалів та виробництва будівельних конструкцій”), м. Макіївка.

Захист відбудеться “ 16 ” вересня 1999 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.059.01 Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (310002, м. Харків, вул. Петровського, 25). З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету. Автореферат розісланий “ 7 ” липня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Космін О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток і утримання дорожньої мережі України на належному технічному рівні нерозривно пов'язані з роботами по ремонту й утриманню мостів, що є найбільш складними і відповідальними спорудами на автомобільних дорогах. Сучасна мережа автомобільних доріг України має близько 16 тис. залізобетонних і металевих мостів. Залізобетонні мости з балковими прольотними будовами складають близько 80% всіх існуючих мостів. Майже 10 тис. мостів загальною довжиною 163 км (46%) не відповідають вимогам чинних будівельних норм і потребують ремонту та реконструкції. Встановлено, що вже після 10...15 років експлуатації в елементах залізобетонних мостів виникають місцеві руйнації захисного шару бетону з оголенням робочої арматури. Такого роду дефекти відновлюються в більшості випадків цементно-піщаним розчином, що характеризується недостатньо міцним зчепленням із бетоном конструкції й арматурою, що особливо помітно при динамічному впливі транспорту. Тому актуальною є розробка спеціальних складів бетону, що забезпечують їх довгострокову спільну роботу з бетоном і арматурою конструкцій, які ремонтуються.

Особливості умов ремонту й експлуатації залізобетонних мостових конструкцій потребують одержання спеціальних бетонних сумішей, призначених для відновлення захисного шару, що володіє підвищеними адгезійними властивостями, інтенсивним набором довгострокової міцності, високою водонепроникністю, морозостійкістю, а також низькими показниками усадки і набрякання. Бетонні суміші повинні бути доступними, технологічними й екологічно безпечними. Важливо при цьому використання місцевих матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є ініціативою кафедр технології дорожньо-будівельних матеріалів і мостів ХДАДТУ за рішенням проблеми відновлення захисного шару бетону і сталевої арматури залізобетону, що забезпечують підвищення довгострокової міцності й експлуатаційної надійності мостових залізобетонних конструкцій.

Мета дослідження. Розробка бетонних сумішей для ремонту мостових залізобетонних конструкцій на основі доступних, технологічних і екологічно безпечних в'яжучих, заповнювачів і добавок, що забезпечують високу адгезію ремонтного шару до бетону і сталевої арматури безпосередньо після ремонту, а також мають фізико-механічні та захисні характеристики, які довгостроково зберігаються.

Задачі дослідження.

Розробити комплексну добавку, що забезпечує підвищення адгезійних властивостей дрібнозернистих цементних бетонів до поверхні залізобетонних конструкцій, що ремонтується, для відновлення захисних шарів бетону.

Встановити вплив комплексної добавки і її складових на процеси структуроутворення дрібнозернистих цементних бетонів при формуванні в захисному шарі залізобетонних конструкцій.

Визначити фізико-механічні властивості дрібнозернистих цементних бетонів із комплексною добавкою в захисному шарі залізобетонних конструкцій.

Оцінити довговічність дрібнозернистих цементних бетонів, їхню спроможність зберігати захисні властивості стосовно сталевої арматури.

Досліджувати деформації усадки і набрякання, а також визначити модулі пружності та коефіцієнти температурного розширення дрібнозернистих цементних бетонів із комплексною добавкою.

Розробити технологію приготування дрібнозернистих цементобетонних сумішей із комплексною добавкою і ремонту з їх використанням для відновлення захисного шару залізобетонних конструкцій, провести перевірку результатів досліджень в умовах виробництва.

Наукова новизна отриманих результатів.

Теоретично обґрунтований і досліджуваний механізм дії комплексної добавки, що складається з прискорювача твердіння і модифікованого пентафтальового полімеру на підвищення адгезії захисного шару з дрібнозернистого цементного бетону до поверхонь мостових залізобетонних конструкцій, що ремонтуються.

Доведено позитивний вплив комплексної добавки на фізико-механічні й експлуатаційні властивості дрібнозернистих бетонів у відновлених захисних шарах мостових залізобетонних конструкцій.

Досягнуто ідентичність деформативних властивостей відновленого захисного шару із дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою та бетону залізобетонних конструкцій, що відновлюються.

Здійснена можливість застосування місцевих пісків у якості заповнювача дрібнозернистих бетонів і цементів визначеного складу для відновлення захисного шару мостових залізобетонних конструкцій.

Достовірність отриманих результатів підтверджується комплексом незалежних методів, що застосовували із використанням сучасного обладнання при відповідному статистичному забезпеченні, як на стадії постановки експериментів, так і при опрацюванні й аналізі отриманих результатів. Останні знаходяться в задовільній згоді з теоретичними передумовами. Практичне значення отриманих результатів.

Запропоновано склади і технологія одержання дрібнозернистої бетонної суміші на основі портландцементу, місцевих пісків і комплексної добавки.

Розроблено й отримано дрібнозернистий бетон на основі доступних матеріалів, призначений для ремонту елементів залізобетонних мостів способами монолітного бетонування і мокрого торкретування.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно: аналіз літератури, розробка методик досліджень, проведення експериментів, аналіз отриманих результатів і впровадження дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою при ремонті прольотних будов двох діючих залізобетонних мостів у Харківській області, а також для підвищення експлуатаційної надійності несучих балок і перекрить будинку в м. Харкові.

У публікаціях у співавторстві особисто здобувачем виконане таке: у 1 вивчалося водопоглинання, пористість і міцність дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою, запропонованого для відновлення захисного шару мостових залізобетонних конструкцій; у 3 досліджений вплив комплексної добавки на фізико-механічні властивості і морозостійкість дрібнозернистого бетону, розглянуто технологію приготування бетонної суміші; у 4 вивчено вплив різноманітних засобів опрацювання поверхні “старого” бетону для підвищення адгезійних властивостей бетону запропонованого складу до поверхонь залізобетонних конструкцій, що ремонтуються, наведено результати дослідження його адгезії до сталевої арматури, а також результати дослідно-промислового впровадження; у 6 проведене порівняння міцнісних, адгезійних і експлуатаційних характеристик запропонованого дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою і бетонів з добавкою епоксидних смол.

Реалізація результатів роботи.

Запропоновані склади використовувалися під час ремонту захисного шару бетону конструкцій способом монолітного бетонування прольотних будов залізобетонних мостів у Харківській області на базі ДКП “Харківський Гідроміст” і разом із Харківським Облавтодором (Нововодолазьке ДЕУ), а також для посилення несучих балок і перекрить будинку по вул. Пушкінський, 27 (м. Харків) способом мокрого торкретування за допомогою розчино-бетононасосу, розробленого на кафедрі МБП ХДТУБА.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації обговорені: на семінарі “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (м. Київ, 30 червня - 1 липня 1998 р.); на науково-практичному семінарі “Про стан мостового господарства Запорізького Облавтодора і про заходи для поліпшення роботи при проектуванні, ремонті й експлуатації мостів і шляхопроводів” (м. Запоріжжя, 15-16 грудня 1998 р.), а також на науково-технічних конференціях викладачів і співробітників дорожньо-будівельного факультету ХДАДТУ (м. Харків, 1996, 1997, 1998 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 друкарських робіт, 5 із яких у виданнях, які входять до переліку ВАК України, а також отримане позитивне рішення на заявку патенту “Склад бетонної суміші” № 98115832 від 09.04.99 р.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу і чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 175 найменувань і 5 додатків. Робота містить 176 сторінки друкованого тексту, 20 таблиць і 32 рисунка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета дослідження, відзначені практичне значення й галузь реалізації наукових результатів.

У РОЗДІЛІ 1 аналізуються характерні дефекти існуючих типів мостових конструкцій, типові причини руйнації захисного шару залізобетонних конструкцій мостів, а також ремонтні матеріали і технології ремонту.

Значна частина мостів експлуатується з різноманітного роду ушкодженнями і дефектами. На основі даних натурних обстежень залізобетонних мостів, виконаних деякими організаціями (КАДІ, ХАДІ, Оргдорбуд УРСР, СоюздорНДІ, ДерждорНДІ, БелдорНДІ, Оргтехдорбуд РРФСР, МАДІ, СибАДІ, Казанський ІБІ), в обстежених мостах найбільш поширені такі дефекти: руйнування плити проїжджої частини через погану її гідроізоляцію - 60...77%, руйнування деформаційних швів через недосконалість конструкції - 60...68%, руйнування покриття проїжджої частини - 60...70%, відколи і раковини в залізобетонних конструкціях - 50...65%, недостатній захисний шар арматури - 50...60% та інші. У багатьох випадках зустрічається кілька дефектів, що взаємно впливають на стан моста в цілому. При цьому глибина і характер ушкоджень поступово змінюються під час експлуатації моста. Вже після 10...20 років площа ушкоджень поверхні пролітної будівлі складає більш 50%. У більш ранні терміни експлуатації основним видом поверхневих дефектів є лущення, а після 10 років експлуатації - руйнування захисного шару з наступним оголенням арматури (до 20% від загальної площі поверхні). Надалі цей вид руйнування досягає більш 50% площі поверхні при термінах експлуатації моста понад 40 років.

Дослідженню причин руйнацій бетону і залізобетону будівельних конструкцій, зокрема транспортних споруд, присвячені роботи С.М. Алексєєва, В.І. Бабушкіна, Ю.М. Бутта, Ф.М. Іванова, В.В. Кінда, В.М. Москвіна, М.О. Мощанського, Г. Руфферта, С.В. Шестоперова, П. Шисселя, С. Чемпіона, В.Л. Чернявського, В.Н. Юнга та інших. Виконані дослідження повною мірою освітлюють причини і механізм руйнації конструкцій. Дефектом, що найчастіше зустрічається та істотно впливає на довговічність залізобетонних прольотних будов мостів, є карбонатизація бетону і корозія арматури.

Основною причиною виникнення корозії бетону та арматури є порушення водовідводу внаслідок ушкодження гідроізоляції проїжджої частини, стоку води з тротуарів і наступної фільтрації води через конструкції прольотної будови. Невеликі каверни, пори, раковини і відколи в захисних шарах залізобетонних конструкцій, як правило, не впливають на несучу спроможність прольотної будови в початковий період експлуатації, але надалі сприяють більш глибокій карбонатизації бетону і корозії арматури.

Для відновлення захисних шарів залізобетонних конструкцій використовувалися різноманітні склади бетонних сумішей. Широку відомість в нашій країні та за кордоном одержали праці, присвячені розробці складів бетону для ремонту з використанням полімерів (полімерцементні бетони і полімербетони відповідно до класифікації В.В. Патуроєва) І.М. Єлшина, А.П. Кудзіса, І. Охами, В.В. Патуроєва, О.С. Попової, О.В. Саталкіна, Л. Скупіна, Г.Ф. Сліпченка, В.А. Солнцевої, В.І. Соломатова, У.М. Хрульова, Ю.С. Черкінського та інших.

Застосування полімерцементних бетонів для відновлення захисного шару залізобетонних мостових конструкцій дозволить одержати більш високі, у порівнянні з цементними бетонами, показники міцності при стиску та згині; збільшити зчеплення бетону ремонтного шару з бетоном та арматурою конструкцій, а також підвищити водонепроникність і стійкість цього бетону до агресивних впливів. Крім цього, вони володіють, на відміну від полімербетонів, більш низькими значеннями усадочних деформацій при твердінні і меншим коефіцієнтом температурного розширення. Це дозволить запобігти виникнення усадочних тріщин і відшарування бетону відремонтованої ділянки від бетону конструкції, що експлуатувалася, а також забезпечити довговічність відновлених ділянок. З метою одержання найбільш економічних складів бетону для ремонту залізобетонних конструкцій доцільно використовувати в якості його компонентів матеріали вітчизняного виробництва.

До вад полімербетонів відноситься незіставність їх деформативних властивостей із залізобетоном конструкцій, неможливість їхнього нанесення способом торкретування на поверхні, що ремонтуються. Найбільш технологічними матеріалами для ремонту мостових залізобетонних конструкцій є цементні і полімерцементні бетони, що дозволяє використовувати для їх нанесення механізовані способи, у тому числі спосіб торкретування.

У РОЗДІЛІ 2 сформульовані теоретичні передумови досліджень.

Використання полімерних добавок до цементних бетонів для ремонту залізобетонних конструкцій дозволяє одержувати якісно новий матеріал. Таке сполучення економічно вигідне і технічно доцільне при ремонті несучих конструкцій, а також сприятливе при формуванні структури гідратованих в'яжучих, особливо на контакті зі “старим” бетоном (бетон у віці не менш 3 років).

Прискорювач твердіння у вигляді хлорида кальцію, що відноситься до добавок другого класу за В.Б. Ратиновим, спроможний робити модифікуючий та прискорюючий вплив на гідратацію алюмінатної складової цементу. У свою чергу, модифікований пентафтальовий полімер (МПП), що містить гідроксильні групи ОН, повинний мати високу адгезію до бетону конструкції. МПП, як і багато полімерів, є полярною речовиною.

Поверхня бетону характеризується наявністю кремнійкисневого каркасу і поверхневих гідроксилів, що, у кінцевому рахунку, повинно визначати високу адгезію полімеру до подібних матеріалів. У дрібнозернистих бетонах портландцемент містить приблизно 20% SiO₂, а, крім того, основним носієм SiO₂ є кварцовий заповнювач. Тому гідроксильна група полімеру має можливість зв'язуватися з поверхневими групами кремнійкисневих тетраедрів за допомогою водневих зв'язків, іон-діпольних і навіть хімічних взаємодій.

Механізм адгезії МПП до бетону можна пояснити з позиції основних положень електронної теорії за рахунок утворення подвійного електричного шару. Подвійний електричний шар утворюється в результаті орієнтування заряджених часток полімеру до поверхні тіла бетону з виникненням потім різниці потенціалів між ними. Проте, на відміну від електростатичної взаємодії при утворенні подвійного електричного шару відбувається взаємний перехід електронів між функціональними групами молекул полімеру і поверхнею бетону. Взаємодію МПП із поверхнею цементного каменю можна уявити:

- Si - OН + ОН - R - Si - O - R + Н₂О.

Водневий зв'язок набагато слабкий, ніж хімічний зв'язок, але він у багато разів сильніший, ніж міжмолекулярні зв'язки. Його дія позитивно впливає на формування адгезійної міцності і виявляється на відстані до (2,5…2,8)10^-4 мкм.

Властивості полімеру у значній мірі визначаються функціональними групами, що входять до складу молекули. Когезійні властивості МПП високі за рахунок міцності зв'язку між окремими молекулами, що входять до їхнього складу. Вона складає для груп СН₂ - 0,99 ккал/міль, а для ОН- 17,25 ккал/міль. Визначений вплив на адгезію та когезію робить молекулярна маса полімерів. МПП має молекулярну масу (1500...5000), що дозволяє мати задовільні адгезійні властивості і когезію.

Пентафтальові полімери термореактивні. У отвердженому вигляді вони мають добру водостійкість, але омилюються розчинами лугів. Вони крихкі, несумісні з оліями, мають обмежену розчинність, тому в процесі виробництва їх модифікують для поліпшення властивостей полімеру. Пентафтальовий полімер модифікується жирними кислотами у вигляді індивідуальних органічних сполук або у складі рослинних масел. Масла рослинні містять переважно нерозгалужені одноосновні насичені (С₆ - С₂₄) і ненасичені (С₁₄ - С₁₈) масні кислоти з подвійним числом атомів вуглецю. Присутність масних кислот обумовлює спроможність МПП полімеризуватися в тонкому шарі з утворенням міцної атмосферостійкої плівки, а також змащуючі, пластифікуючі і поверхнево-активні властивості полімеру. Застосовуваний модифікований пентафтальовий полімер, як і більшість полімерів, має змішані функції, як гідрофілізуючі, так і гідрофобізуючі; проте частіше при їхньому введенні в бетон превалює якийсь один ефект. Тому пластифікуючий ефект може бути обумовлений як утворенням орієнтованих тонких плівок полімеру, так і частково збільшенням кількості міцно пов'язаної води. Полярні активні ОН-групи полімеру мають схильність до асоціації. Вуглеводневі ланцюги молекули полімеру, навпаки, мають слабкі молекулярні зв'язки. З цієї причини зв'язки, утворені метильними групами, є площинами ковзання. З орієнтованих у такий спосіб молекул утворюються як би пластини, спроможні ковзати одна по одній, створюючи опір деформаціям у всіх інших напрямках.

Крім того, для бетону ремонтного складу важливу роль відіграє вид застосованого цементу. Відповідно до існуючої думки з усіх цементів найбільший розмір зчеплення мають портландцементи з високим утриманням С₂S, за ними розташовуються портландцементи з традиційним мінеральним складом. Зміна зчеплення в залежності від виду цементу пояснюється їх різноманітною клеючою спроможністю, а також різницею в усадочних деформаціях бетонів на цих цементах. Процес склеювання дрібнозернистого бетону з добавками і бетону конструкції має фізико-хімічний характер і потребує для свого завершення тривалого часу. Утворення колоїдних структур, а також кристалізація продуктів гідратації у зоні контакту призводить до наступного збільшення зчеплення між бетоном ремонтного складу та бетоном конструкції.

У РОЗДІЛІ 3 наведена характеристика застосованих матеріалів, методів досліджень та отриманих результатів.

У якості в'яжучого застосовувався портландцемент Ольшанського і Білгородського цементних заводів. При цьому клінкер обох цементів мав нормований мінеральний склад з вмістом C₃S у кількості до 50...55% і C₃A від 4 до 6% за масою. У якості дрібного заповнювача використовували найбільш поширені у Східній Україні місцеві кварцові піски з модулем крупності 0,75...1,5. Для досліджень були обрані піски Новоселівського і Безлюдівського кар'єрів Харківської області. За модулем крупності ці піски належать до груп “дуже дрібні” та “дрібні” відповідно.

Вибір складової комплексної добавки здійснювався, виходячи з особливостей їхнього впливу на процеси гідратації і структуроутворення цементу, крім цього, враховувалася їхня доступність, технологічність, безпека при збереженні і роботі. Виходячи з цього, для прискорення процесу гідратації цементу використовувалася добавка ХАК - суміш, що складається з 15% безводного хлористого кальцію (ГОСТ 450-77), 5% безводного хлористого алюмінію (ГОСТ 3759-75) і 80% води по масі. А в якості основного структуруючого компоненту, застосовувалася добавка модифікованого пентафтальового полімеру (МПП). Полімер одержують на основі пентаеритриту і фтальового ангідриду. Пентаеритрит (2,2-диметилолпропандиол) С(СН₂ОН)₄ (ГОСТ 9286-89) - чотирьохатомний спирт із розгалуженим вуглеводневим ланцюгом. Фталевий ангідрид (С₈Н₄О₃) (ГОСТ 7119-77) - має вигляд білих голок, його щільність - 1527 кг/м³, температуру плавлення не менш + 130С та кипіння + 284,5С. Він нерозчинний у воді, помірковано - в органічних розчинниках.

У роботі застосовувався комплекс незалежних методів досліджень, з урахуванням їх експериментальної можливості і дозволяючої спроможності. У даній роботі, крім стандартних (визначення міцності на стиск і розтяг при згині, водопоглинання, водопроникності, морозостійкості, усадки, корозійної стійкості та інші), використовувався ряд спеціальних методів досліджень: люмінесцентна дефектоскопія, оптична мікроскопія (мікроскоп МБІ-6 із фотонасадкою до фотоапарату “Зеніт”), інфрачервона спектроскопія (спектрофотометр “Spekord-M80”). Вивчення модулю пружності і коефіцієнту температурного розширення дрібнозернистих бетонів виконано на установках, розроблених на кафедрі технології дорожньо-будівельних матеріалів ХДАДТУ. Крім цього, досліджувалася адгезійна міцність бетонів різних складів до бетону й арматури конструкцій, а також зміна міцності контакту між дрібнозернистим бетоном відновленого захисного шару і “старим” бетоном конструкцій під дією сульфатної корозії та багаторазового заморожування-відтаювання на складених балочках згідно із запропонованими нами методиками.

Введення добавки МПП до бетонної суміші у кількостях 0,125...1% від маси цементу призводить до максимального пластификуючого ефекту. Поліпшення зручноукладальності бетонних сумішей дозволяє знизити водоцементне відношення на 10...15%, або зменшити витрату цементу. Зниження водоцементного відношення без погіршення зручноукладальності суміші дозволяє підвищити міцність і щільність бетону.

Оптимальна кількість добавки МПП оцінювали на підставі вивчення адгезійної міцності дрібнозернистих бетонів із добавками різноманітних кількостей МПП до бетону у віці більш 3 років твердіння. Адгезійну міцність визначали на підставі міцності на чистий згин балочок, що складаються із дрібнозернистого бетону, доформованого до “старого” бетону.

На підставі адгезійної міцності і міцності на стиск та згин бетонних зразків на рівнорухомих сумішах, оптимальна кількість добавки МПП складає від 0,75 до 1%. У той же час, значний приріст адгезійної міцності був досягнутий при 1% добавки МПП, а максимальний приріст при згині досягається при додаванні полімерів у кількості 0,75...1% від маси цементу.

Встановлено, що введення добавки полімеру діє на цемент подібно сповільнювачу тільки в початковий період твердіння, а на кінець твердіння вона не робить істотного впливу.

Введення прискорювача твердіння ХАК разом із різноманітною кількістю добавки МПП дозволило визначити оптимальний вміст полімеру в комплексній добавці. Найбільші значення адгезійної міцності були досягнуті при введенні запропонованої комплексної добавки (5% ХАК + 1% МПП). Вивчався також вплив добавки ХАК разом із різноманітною кількістю полімеру на міцність під час стиску і згину зразків із дрібнозернистого бетону. Отримані дані свідчать, що комплексна добавка також призводить до максимального приросту міцності під час стиску і згину бетонних зразків.

Адгезійна міцність бетону з комплексною добавкою значно вища, ніж адгезійна міцність бездобавочних бетонів (у 1,5...1,8 рази) у всі терміни випробувань.

Введення комплексної добавки призводить до підвищення міцності бетону на 1 добу при стиску до 55...60%, а при згині - 40...50%; на 3 добу при стиску - 16...26%, при згині - 24...30%. Міцність, отримана на 360 добу, більше, ніж у бездобавочного бетону, при стиску на 20...30%, а при згині - на 27...35%. Характер кінетики зростання міцності дрібнозернистих бетонів на різноманітних цементах і пісках є аналогічний, що підтверджує достовірність отриманих результатів.

Коефіцієнт дефектності структури бетонів при введенні комплексної добавки нижче, ніж у контрольних зразків, у всі терміни твердіння, як для бетону на Ольшанському цементі і Безлюдівському піску, так і для бетону на Білгородському цементі і Новоселівському піску. Це свідчить про те, що бетон із комплексною добавкою має більш однорідну структуру з меншою дефектністю.

Були зіставлені міцнісні характеристики дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою та із широко застосовуємою добавкою ЕД-20. При цьому одержання більш високих показників по адгезійній міцності досягається введенням 5% ЕД-20 від маси цементу тільки після 7...14 діб твердіння, що неприйнятно для ремонту експлуатованих без припинення руху транспорту автомобільних мостів. Після 90 діб твердіння приріст адгезійної міцності бетону із добавкою ЕД-20 складає не більш 6,0...7,5 %, у порівнянні з дрібнозернистим бетоном із комплексною добавкою. Більш високі значення адгезійнної міцності в 1 добу твердіння (на 30...40%) забезпечують кращу спільну роботу запропонованого дрібнозернистого бетону з бетоном конструкції і не призведуть до відшаровування в ранні терміни твердіння. При цьому дрібнозернистий бетон із комплексною добавкою має кращу динаміку набору міцності в ранні терміни твердіння (1...3 доба), особливо при згині, що найбільше важливо для мостових прольотних конструкцій. Таким чином, основні міцнісні характеристики дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою, у порівнянні з полімерцементними бетонами з добавкою епоксидних смол, мають більш високі значення в ранні терміни твердіння, а після 90 діб твердіння вони практично однакові.

Дослідження дефектності структури дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою методом люмінесцентної дефектоскопії показало їх найбільш щільну й однорідну структуру, у порівнянні з бездобавочним бетоном. Значно скорочується кількість крупних пор (r > 1000 мкм). Пори розподілені більш рівномірно в об'ємі зразку та ізольовані одна від одної, форма їх переважно округла.

Оптико-мікроскопічним методом визначено, що за рахунок введення комплексної добавки істотно скорочується значна пористість, а частка дрібних пор для дрібнозернистих бетонів зростає. Вони набувають ізольованого характеру з чітко вираженою кольматацією порового простору полімером. Ступінь гідратації в'яжучого, у порівнянні з контрольним складом (бездобавочним бетоном), зростає більш, ніж на 10%, причому гідрати подані в основному низькоосновними формами. Характерне для дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою ущільнення структури виявляється у вигляді скорочення міжзернового простору до 60 мкм (у середньому), а також ущільненні зони контакту.

Вивчення пористості в прозорих шліфах дозволило констатувати, що дрібнозернистий бетон із комплексною добавкою практично не має пор розміром більш 500 мкм, на відміну від контрольного складу, що має до 9% таких пір. У контрольному складі переважають пори розміром 100...500 мкм, що у сумі складають до 70%. Введення комплексної добавки кардинально змінює структуру порового простору. Значно зменшується кількість пор розміром 100...500 мкм (до 30%), а максимум переважного розміру пор зрушується у бік зменшення діаметра. Так, пори розміром до 100 мкм складають порядку 70%, у свою чергу, пори менш 50 мкм найбільш багаточисленні в тілі бетону і складають 37% від загальної кількості.

Загальна пористість зразків дрібнозернистих бетонів контрольного складу, що твердіють у нормальних умовах, склала 21,5%, а зразків із комплексною добавкою (5% ХАК + 1% МПП) - 17,0%. Ці результати узгоджуються із даними, отриманими за методикою Г.А. Туркестанова. Деяке збільшення значень пояснюється тим, що відповідно до даних оптичної мікроскопії в бетоні є ізольовані пори, недоступні для проникнення води.

За допомогою ІЧ-спектроскопії підтверджене утворення коротких водневих зв'язків між киснем силікатного й алюмінатного каркаса і воднем реакційної ОН-групи модифікованого пентафтальового полімеру. Це підтверджується незначним зсувом частоти коливань на 10...15 см^-1 в області поглинання силікатного каркасу (956 см^-1).

За співвідношенням розмірів поглинання смуг (950…970 см^-1 і 1400... 1500 см^-1) оцінювали основність гідросилікатів кальцію. Для всіх складів це співвідношення досить високе, що свідчить про можливе утворення низькоосновних гідросилікатів кальцію (CaО/SiO₂<1). У складах із комплексною добавкою, у порівнянні з контрольним складом, інтенсивність поглинання в області 11,0...6…6,0 мкм підвищується, що вказує на незначне зниження кількості низькоосновних гідросилікатів кальцію. Це пов'язано з утворенням крім гідросилікатів із відношенням CaО/SiO₂<1 ще й деякої кількості гідросилікатів кальцію з основністю CaО/SiO₂1, що узгоджується із твердженням Ю.С. Черкінського про можливий вплив полімеру (що входить до складу комплексної добавки) на гідратацію трьохкальцієвого силікату. Крім цього, другий компонент комплексної добавки, прискорювач твердіння, також сприяє зростанню інтенсивності поглинання в області 11,0...6,0 мкм за рахунок збільшення швидкості гідратації цементних мінералів.

Наявністю іонів ОН^- обумовлена поява на спектрах вузької смуги поглинання з максимумом при 3630 см^-1. Поглинання при 3644 см^-1 (2,77 мкм) вказує на зменшення кількості гідроксиду кальцію в складах із комплексною добавкою у порівнянні з контрольним складом. Це обумовлює зберігання довгострокової міцності дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою.

Максимум в області 3420 см^-1 свідчить про наявність молекул адсорбованої води на продуктах гідратації. Положення максимуму поглинання на ІЧ-спектрі контрольного складу при 3428...3432 см^-1 відповідає концентрації адсорбованої води в кількості біля 70% за рахунок переваги в ньому низькоосновних гідросилікатів кальцію зі співвідношенням CaО/SiO₂<1. Зсув цього максимуму в область 3452...3456 см^-1 на ІЧ-спектрах складів із комплексною добавкою вказує на зменшення (на 12…15%) вмісту адсорбованої води, що непрямо також підтверджує відзначене вище деяке зменшення вмісту низькоосновних гідросилікатів кальцію зі співвідношенням CaО/SiO₂1, тому що збільшення кількості міцно зв'язаної води характерне для гідрофілізуючих добавок. Пластифікучий ефект добавки МПП може бути обумовлений утворенням орієнтованих плівок полімеру між частками заповнювача та води.

Введення полімеру робить структуру бетону більш щільною і дрібнопористою, випаровування води з нього різко знижується і, як наслідок цього, усадка дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою знижується в 1,5...2,0 рази в усі терміни твердіння, ніж у бетону без добавки. Настільки малу усадку дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою можна пояснити високою спроможністю пластифікуючої добавки МПП, що входить до її складу, і відповідним зменшенням водопотреби. Крім цього, плівка полімеру уповільнює процес випаровування води з гелєвої гідратної складової цементного каменю, а отже, і зменшує деформацію усадки.

Введення комплексної добавки призводить до незначного підвищення модулю пружності та коефіцієнту температурного розширення бетону (табл. 1). Близькі значення цих показників для дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою та бетоном мостової конструкції дозволяє домогтися їх доброї спільної праці і запобігти можливості відшаровування, що свідчить про їх більшу перевагу, у порівнянні з дрібнозернистими бетонами з добавкою ЕД-20.

Дослідження адгезійної міцності контакту між запропонованими дрібнозернистими бетонами і “старим” бетоном в умовах сульфатної агресії, а також багаторазового заморожування-відтаювання, показали збільшення довговічності контакту при введенні комплексної добавки в ремонтний склад. Після 12 міс витримування в 5% розчині Na₂SO₄ усі зразки показали зниження адгезійної міцності. При цьому адгезійна міцність бетону контрольного складу склала 70% від початкового значення, а дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою - 86%, що підтверджує довговічність контакту при використанні запропонованого ремонтного складу для відновлення захисного шару бетону мостових залізобетонних конструкцій.

Таблиця 1 - Експлуатаційні і деформативні властивості дрібнозернистих бетонів

Отримані результати свідчать, що введення комплексної добавки значно підвищує довговічність адгезійної міцності з бетоном конструкції при впливі багаторазового заморожування-відтаювання на площу зону контакту, у порівнянні з бездобавочним (контрольним) складом. При цьому, зниження адгезійної міцності після 200 циклів заморожування-відтаювання складає усього 7...8%, на відміну від контрольних зразків, що показали зниження до 25%.

Для визначення можливості появи корозії арматури нами були проведені виміри розміру рН водних витяжок із дрібнозернистого бетону відразу після затворення, й у віці від 28 діб до 21 міс за методикою, запропонованою В.Л. Чернявським. Добавка хлоридів - прискорювачів, як правило, приводить до зниження рН водних витяжок бетону (11,4...11,7). Однак, введення полімеру в складі комплексної добавки дозволяє підвищити лужність середовища бетону (11,7...12,2) і уникнути можливості появи корозії арматури. Бездобавочний дрібнозернистий бетон протягом усього періоду вивчення показав значення рН в інтервалі від 11,6...12,1.

Описана методика оцінки рН водних витяжок із дрібнозернистого бетону була доповнена прямою оцінкою корозії сталевої арматури, що знаходиться в бетоні. Іспити полягали у збереженні в різних умовах зразків-кубів з арматурою і витягуванні її з наступним фотографуванням. На підставі проведених досліджень можна зробити висновок, що застосування запропонованого складу з комплексною добавкою в усіх умовах збереження призводить до зменшення корозії арматури за рахунок підвищення лужності середовища бетону, одержання більш щільного бетону і кольматації пор полімером. Найбільш інтенсивна корозія сталевої арматури в досліджуваних бетонах відбувається при перемінному збереженні у воді та у повітряно-сухому стані, а так само в 5% розчині NaCl та у повітряно-сухому стані. Іспити адгезійнної міцності дрібнозернистих бетонів до арматури проводили шляхом продавлювання заформованних вертикально арматурних стрижнів крізь тіло бетону. Отримані дані підтвердили збільшення зчеплення дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою зі сталевою арматурою на 10...25%, на відміну від бездобавочних бетонів. Застосування попереднього опрацювання поверхні тільки цементною суспензією перед нанесенням запропонованих ремонтних складів дозволило одержати незначне збільшення міцності зчеплення зі “старим” бетоном (6...8%). Міцність зчеплення дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою зі “старим” бетоном при нанесенні на суху поверхню буде складати 82...86% від міцності зразка, виготовленого із досліджуваного дрібнозернистого бетону. Попереднє опрацювання цементною суспензією дозволить одержати значення міцності зчеплення, рівні 90...92%.

У РОЗДІЛІ 4 приведені результати практичної реалізації досліджень.

На підставі отриманих результатів експериментальних досліджень була проведена дослідна перевірка можливості застосування дрібнозернистих бетонів із комплексною добавкою для ремонту залізобетонних конструкцій. У жовтні 1997 р. на базі ДКП “Харківський Гідроміст” ремонту піддалася залізобетонна балка прольотної будови на мосту в м. Харкові між Алексіївкою та Павловим Полем. У серпні 1998 р. за домовленістю з Харківським Облавтодором і Нововодолазьким ДЕУ було проведене відновлення захисного шару нижнього поясу балки пролітної будівлі (протягом 7,5 м) на мосту через ріку Уди під Харковом. У квітні 1999 р. на базі “Будівельного Торгового Будинку” для реконструкції будинку Української фармацевтичної академії (м. Харків) були проведені дослідно-промислові іспити по нанесенню дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою на несучі балки і перекриття способом мокрого торкретування. Спостереження протягом 1,5 року на мосту в м. Харкові і протягом 9 міс, включаючи зимовий період, на мосту через ріку Уди показало відсутність усадочних тріщин і відшаровування відновленого захисного шару від бетону мостової залізобетонної конструкції. Прогнозований економічний ефект за період експлуатації залізобетонного моста (довжина - 100 м, габарит - 11,5 м) від застосування дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою для відновлення захисного шару мостових залізобетонних конструкцій складе 9150 грн.

бетонний суміш дрібнозернистий мостовий

ВИСНОВКИ

Встановлено, що однією з головних причин зниження експлуатаційних властивостей залізобетонних конструкцій мостів є руйнація захисного шару бетону з оголенням арматури.

Запропоновано використовувати для відновлення захисного шару залізобетонних конструкцій екологічно безпечні дрібнозернисті цементні бетони з комплексною добавкою, що включає прискорювач твердіння і полімер, що у кількостях 5% і 1%, відповідно, забезпечують високі фізико-механічні й антикорозійні властивості захисного шару залізобетонних конструкцій.

Теоретично розглянуто механізм підвищення адгезії бетону захисного шару до ушкодженого бетону залізобетонних конструкцій, що полягає в електростатичній взаємодії між функціональною ОН-групою полімерної складової комплексної добавки із поверхнею бетону.

Показано, що введення комплексної добавки до дрібнозернистого бетону призводить до збільшення міцності при стиску на 30%, при згині на 40% і адгезії на 80%.

Незалежними методами фізико-хімічного аналізу встановлене формування однорідної щільної структури дрібнозернистого бетону захисного шару в результаті ущільнення контактної зони між компонентами, зменшення кількості крупних пор і зростання кількості дрібних пор, кольматованих полімером, збільшення на 10% ступеня гідратації цементу, а також створення водневих зв'язків ОН-груп полімерної складової комплексної добавки і гідратів цементного каменю.

Встановлено, що введення комплексної добавки дозволяє знизити кількість води замішування на 10...15% без зміни зручноукладальності суміші, призводить до підвищення морозостійкості дрібнозернистих бетонів у захисному шарі на 2 ступеня, водонепроникності - до 10 аті, сульфатостійкості - у 1,2 рази, а також дозволяє знизити в період твердіння розмір усадки в 1,5...2,0 рази.

Показано, що під дією сульфатного середовища і багаторазового заморожування та відтаювання адгезійна міцність захисного шару з дрібнозернистого бетону із запропонованою комплексною добавкою знижується на 7...14%, у порівнянні з бездобавочним бетоном (25...30%).

Показано, що введення комплексної добавки підвищує лужність рідкої фази бетону в захисному шарі до значення рН 11,7...12,2, що є сприятливою умовою для забезпечення цілості сталевої арматури.

Підтверджено ефективність ремонту і відновлення захисного шару бетону мостових залізобетонних конструкцій дрібнозернистими бетонами з комплексною добавкою способом монолітного бетонування на автодорожніх мостах у Харківській області. Показана доцільність використання отриманих розробок для підвищення експлуатаційної надійності несучих елементів будинку в м. Харкові способом торкретування. При цьому досягнуті економія часу і працевитрат на виробництво робіт, скорочення витрати електроенергії та матеріалів.

Основні положення дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях

Бугаевский С.А., Редкозубов А.А. Ремонтный состав с пониженной проницаемостью // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архетиктуры. - Макеевка. - 1998. - Вып. №1(9). - С. 12-16.

Бугаевский С.А. Коррозия арматуры железобетонных мостов и методы ее устранения // Сборник докладов Укр. межотраслевого научно-практич. семинара ”Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення.” - К: Транспортна Академія України. - 1998. - С. 34-38.

Бугаевский С.А., Лукин Н.П., Ольгинский А.Г. Ремонтный состав для защитного слоя железобетонных мостов // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. - 1998. - Вып. 7. - С. 65-67.

Бугаевский С.А., Редкозубов А.А. Повышение сцепления ремонтного состава со старым бетоном и арматурой // Науковий вісник будівництва. - 1998. - Вип. 4. - С. 118-121.

Бугаевский С.А. Влияние добавки полимера на свойства мелкозернистого (песчаного) бетона // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. - 1998. - Вып. 8. - С. 65-68.

Бугаевский С.А., Редкозубов А.А. Материалы для ремонта защитного слоя железобетонных мостовых конструкций // Науковий вісник будівництва. - 1999. - Вип. 5. - С. 40-43.

Лукин Н.П., Ольгинский А.Г., Бугаевский С.А., Редкозубов А.А. Состав бетонной смеси. Положительное решение № 98115832. 1999 год.

АНОТАЦІЇ

Бугаєвського С. О. Дрібнозернисті цементні бетони з добавкою полімера для ремонту мостових залізобетонних конструкцій. - Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 1999.

Дисертація присвячена рішенню актуальної проблеми створення технологічних, екологічно безпечних бетонних сумішей на основі доступних місцевих компонентів для ремонту залізобетонних і, зокрема, мостових конструкцій. Створення бетонних сумішей базується на використанні портландцементу, широко розповсюджених низькомодульних пісків і комплексної добавки, компоненти якої дозволяють різноманітними способами проводити відновлення захисного шару бетону й арматури залізобетонних конструкцій без припинення руху транспорту. Встановлено механізм дії окремих компонентів і комплексної добавки в цілому на підвищення адгезії до поверхні, що ремонтується. Доведено позитивний вплив комплексної добавки на фізико-механічні та експлуатаційні властивості дрібнозернистих бетонів у відновлених захисних шарах мостових залізобетонних конструкцій. Досягнуто ідентичність деформативних властивостей відновленого захисного шару із дрібнозернистого бетону з комплексною добавкою з бетоном мостових залізобетонних конструкцій.

Ключові слова: адгезія, дрібнозернистий бетон, захисний шар, комплексна добавка, мостові залізобетонні конструкції.

Bygaevsky S.A. Fine cement concrete with polimer additive for the repair of reinforced cencrete bridge structures. - Manuscript. Thesis for Ph. D. Degree by speciality 05.23.05 - construction materials and products - Kharkov State automobile and hidway technical university, Kharkov, 1999.

Thesis dedicated to the solution of current problem of creating technological ecologically safe compositions on the base of local components for the repair of reinforced concrete, and particularly of bridge structures. Creation of compositions is based on the use of portland cement, widespreaded low-modulus sands and complex additives, components of which allow to rehalibitate the defence layer of concrete and reinforcement without stopping the traffic by different methods. Established action mechanism of certain components and the complex additive itself on increasing adhesion to the repaired surface. Proved the positive influence of complex additive on physico-mehanical and performance properties of fine concrete in rehalibitated defence layers of bridges reinforced cement concrete structures. Achieved the identity of deformation properties of rehalibitated fine concrete defence layer with complex additive with the concrete of bridges reinforced concrete structures.

Kay words: adhesion, fine concrete, defence layer, complex additive, bridge reinforced concrete structures.

Бугаевский С.А. Мелкозернистые цементные бетоны с добавкой полимера для ремонта мостовых железобетонных конструкций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена решению актуальной проблемы создания технологичных, экологически безопасных бетонных смесей на основе доступных местных компонентов для ремонта железобетонных и, в частности, мостовых конструкций. В работе проанализированы характерные дефекты существующих типов мостовых конструкций, типичные причины разрушения защитного слоя железобетонных конструкций мостов, а также материалы и технологии ремонта. Введение ускорителя твердения и полимера в виде комплексной добавки в мелкозернистые бетоны на основе портландцемента будет способствовать ускорению процессов структурообразования и повышению адгезионных свойств защитного слоя бетона железобетонных конструкциях, обеспечит высокую водонепроницаемость и морозостойкость, создаст условия для долговременной совместной работы с ремонтируемой конструкцией.

В исследованиях применялся комплекс независимых методов исследований, с учетом их экспериментальной возможности и разрешающей способности. В настоящей работе, кроме стандартных (определение прочности на сжатие и растяжение при изгибе, водопоглощения, водопроницаемости, морозостойкости, усадки, коррозионной стойкости и др.), использовался ряд специальных методов исследований: люминесцентная дефектоскопия, оптическая микроскопия, инфракрасная спектроскопия (спектрофотометр “Spekord-M80”). Изучение модуля упругости и коэффициента температурного расширения мелкозернистых бетонов выполнено на установках, разработанных на кафедре технологии дорожно-строительных материалов ХГАДТУ. Кроме того, исследовалась адгезионная прочность бетонов различных составов к бетону и арматуре конструкций, а также изменение прочности контакта между мелкозернистым бетоном восстановленного защитного слоя и “старым” бетоном конструкции под действием сульфатной коррозии и многократного замораживания-оттаивания на составных балочках по предложенным нами методикам.

В работе рассмотрен механизм повышения адгезии бетона защитного слоя к поврежденной железобетонной конструкции, заключающийся в электростатическом взаимодействии между функциональной ОН-группой полимерной составляющей добавки и поверхностью бетона, приводящем к образованию водородных связей. Введение комплексной добавки в мелкозернистый бетон приводит к увеличению прочности при сжатии до 30%, при изгибе до 40% и адгезии до 80%. Независимыми методами физико-химического анализа установлено формирование однородной плотной структуры мелкозернистого бетона защитного слоя в результате уплотнения контактной зоны между компонентами, уменьшение крупных пор и возрастание количества мелких пор, кольматированных полимером, а также увеличение на 10% степени гидратации цемента. Кроме того, установлено, что введение комплексной добавки позволяет снизить водоцементное отношение на 10…15% без изменения удобоукладываемости смеси, приводит к повышению морозостойкости мелкозернистых бетонов в защитном слое на 2 ступени, водонепроницаемости - до 10 ати, сульфатостойкости - в 1,2 раза, а также позволяет снизить в период твердения величину усадки в 1,5...2,0 раза. Получены данные, что после воздействия сульфатной среды и многократного замораживания и оттаивания адгезионная прочность защитного слоя из мелкозернистого бетона с предложенной комплексной добавкой снижается на 7...14%, по сравнению с бездобавочным бетоном (25…30%). Введение комплексной добавки повышает щелочность внутренней среды бетона в защитном слое до значения рН 11,7…12,2, что является благоприятным условием для обеспечения сохранности стальной арматуры.

Технология приготовления мелкозернистых бетонных смесей с предложенной комплексной добавкой предусматривает применение стандартного оборудования и отличается лишь последовательностью смешивания компонентов. Подтверждена эффективность ремонта и восстановления защитного слоя бетона мостовых железобетонных конструкций мелкозернистыми бетонами с комплексной добавкой способом монолитного бетонирования на автодорожных мостах в Харьковской области. Восстановленная поверхность железобетона не претерпела изменений при воздействии на протяжении 1,5 лет и 9 мес. Получено снижение стоимости бетона ремонтного состава более чем на 40%, по сравнению с применяемыми мелкозернистыми бетонами с добавками эпоксидных смол. Показана целесообразность использования полученных разработок для повышения эксплуатационной надежности несущих балок и перекрытий здания в г. Харькове способом торкретирования. Применение мелкозернистых бетонов с предложенной комплексной добавкой позволило сократить отскок бетона при торкретировании в 2 раза, что привело к экономии времени и трудозатрат на производство работ, сокращению расхода электроэнергии и материалов.

Ключевые слова: адгезия, мелкозернистый бетон, защитный слой, комплексная добавка, мостовые железобетонные конструкции.

Размещено на Allbest.ru