20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська ДЕРЖАВНА академІя

БУДІВНИЦТВА та архІтектурИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Комплексна активація мікроструктури бетонів як відкритих складних систем

Спеціальність 05.23.05 - будівельні матеріали і вироби

Ткаченко Галина Георгіївна

Одеса - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Вировой Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри виробництва будівельних виробів та конструкцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Зайченко Микола Михайлович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, кафедра технології будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг,

кандидат технічних наук, директор Сільченко Сергій Володимирович, ТОВ "Хай-Рейз Констракшнз Холдінг”, м. Одеса.

Захист відбудеться "25” січня 2011 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 при Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4., ОДА БА, ауд.360

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4. ОДАБА

Автореферат розісланий "14” грудня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к. т. н., доцент Карпюк В.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одною із важливих задач у виробництві будівельних матеріалів та виробів, особливо в умовах економічних кризових ситуацій, слід вважати раціональне використання мінеральних в'яжучих. Це передбачає поліпшення якісних показників будівельних матеріалів при зниженні матеріалоємності за рахунок зменшення витрат цементу. Узагальнений аналіз дав змогу дійти висновку, що вирішення цієї комплексної задачі можливо за рахунок більш повного розкриття потенційних можливостей в'яжучих систем та матеріалів на їх основі. Ефективним методом проявлення можливостей в'яжучих систем, як показує накопичений теоретичний та практичний досвід, є їх активізація різними способами (хімічним, термічним, електричним та магнітним, механічним та їх різноманітними комбінаціями). До результативних методів активізації процесів структуроутворення слід віднести метод зміни зовнішніх силових постійно діючих електромагнітних впливів за рахунок використання спеціальних фрактально-матричних резонаторів.

Не менш ефективним методом направленої організації структури в'яжучих композитів слід вважати використання мінеральних наповнювачів раціональних по природі, кількості та дисперсності. Сумісне використання матричних активаторів і раціональних наповнювачів створює умови регулювання структурними змінами, отже, властивостями тужавіючих і затверділих розчинів та бетонів на основі мінеральних в'яжучих. Таким чином спільні ефекти, пов'язані з трансформацією параметрів зовнішніх електромагнітних чинників за рахунок використання спеціальних матриць і застосування раціональних наповнювачів, дозволить вирішувати важливі народно-господарчі задачі економічно обґрунтованого використання цементів, що дасть змогу знизити матеріалоємність будівельних матеріалів та виробів при збережені потрібних параметрів якості.

мікроструктура бетон електромагнітний наповнювач

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми Міністерства освіти і науки України "Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних матеріалів" (державний реєстраційний N0105U00086), яка розробляється на кафедрі виробництва будівельних виробів та конструкцій Одеської державної академії будівництва та архітектури.

Мета роботи і задачі досліджень. Мета роботи - підвищення механічних властивостей бетонів як відкритих складних систем за рахунок направленої організації їх структури шляхом зміни параметрів зовнішніх електромагнітних впливів (зовнішня активація) і використання раціональних наповнювачів (внутрішня активація).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі досліджень:

проаналізувати вплив зміни параметрів зовнішнього електромагнітного поля на організацію структур моделей в'яжучих композицій як відкритих систем;

вивчити вплив зовнішньої активації на процеси і явища, які супроводжують гідратацію цементних композицій (об'ємні зміни, зміни температури, періоди формування структури) і на властивості затверділої мікроструктури;

проаналізувати сумісний вплив матриць і наповнювачів на властивості тужавіючих цементних композицій;

вивчити вплив комплексної активації на пошкодженість та механічні властивості мікроструктури бетонів;

дослідити властивості активованих бетонів;

розробити технологічні схеми модифікацій зовнішніх електромагнітних дій при виробництві бетонних та залізобетонних виробів індустріальним методом та в умовах будівельного майданчика.

Об'єкт досліджень. Цементні композиції і бетони на їх основі, активовані фрактально-матричними резонаторами та наповнювачами, їх структура і комплекс механічних властивостей та оптимальні технологічні рішення їх виробництва.

Предмет досліджень. Процеси організації структури та формування властивостей активованих цементних систем і бетонів на їх основі.

Методи досліджень. Організацію структури моделей цементних систем оцінювали розмірами та складом дисперсних часток в кластерах; проявлення та фіксацію технологічних тріщин та внутрішніх поверхонь розділу проводили спеціальними методами; пошкодженість зразків оцінювали за допомогою коефіцієнтів пошкодженості; об'ємні деформації тужавіючих систем оцінювали за допомогою спеціальних датчиків. Періоди формування структури, зміну температури та фізично-механічні властивості цементних композицій та бетонів різного віку вивчали традиційними методами згідно діючих нормативних документів. Статистична обробка експериментальних результатів, розрахунок і оптимізація складів активованих в'яжучих і бетонів проводилася з використанням апарату математичного планування експерименту (кафедра ПАТБМ, ОДАБА).

Наукова новизна отриманих результатів:

теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість керування організацією кластерних структур в цементних композиціях як відкритих систем за допомогою зміни зовнішніх електромагнітних дій за рахунок фрактально-матричних резонаторів;

виявлено вплив дії матриць на властивості тужавіючих та затверділих цементних композицій та бетонів;

вивчена сумісна дія матриць і наповнювачів на властивості цементного каменю та бетонів різного віку;

отримано комплекс експериментально-статистичних моделей сумісного впливу матриць та наповнювачів на властивості цементних композицій та бетонів, які дають змогу визначити раціональне використання цементів в залежності від вимог до властивостей бетонів.

Практичне значення отриманих результатів:

показана доцільність активації мінеральних в'яжучих та бетонів за допомогою фрактально-матричних резонаторів та раціонально підібраних наповнювачів для отримання бетонів з покращеними властивостями;

запропоновані методи, режими активації та склади наповнювачів для виготовлення бетонів з нормативними властивостями з урахуванням зниження витрати цементу;

експериментально-теоретичні дослідження дали змогу розробити технологічні схеми комплексної активації в заводських умовах та при монолітному виробництві бетонних та залізобетонних конструкцій;

основні результати досліджень пройшли виробничу апробацію на підприємстві ВАТ "Стикон" при виготовленні 1500 м³ бетону в умовах каркасно-монолітного будівництва.

Особистий внесок здобувача полягає у проведені експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів і впровадженні їх у виробництво. Внесок в науковій роботі складається із наступного:

проаналізований вплив зміни зовнішніх електромагнітних впливів на структуроутворення модельних дисперсних систем;

встановлено і досліджено ефект впливу матриць на властивості тужавіючих та затверділих цементних композиції різного віку;

отримано масив експериментальних результатів по впливу комплексної активації на зміну пошкодженості, міцністних характеристик, тріщиностійкості мікроструктури бетону у різному віці;

визначено оптимальні склади та технологічні режими активації, які дозволяють вирішувати задачі поліпшення властивостей бетону та зниження їх матеріалоємності.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації роботи докладалися на щорічних науково-технічних конференціях ОДАБА (Одеса, 2005…2009 рр.), на міжнародних семінарах по моделюванню та оптимізації композитів МОК (Одеса, 2006.2008 рр.), на науково технічному семінарі "Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних будівельних матеріалів и конструкцій" (Одеса, 2005…2009 р.).

Публікації. З теми дисертації опубліковано 10 друкованих праць, у тому числі 7 у наукових фахових виданнях та 3 публікації в збірниках науково-технічних конференцій та семінарів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатку. Загальний обсяг дисертації складає 147 сторінок, з них 110 сторінок основного тексту, 23 рисунки і 21 таблиця та 2 сторінки додатку. Список використаних літературних джерел складається з 146 найменувань на 15 сторінках.

Основний зміст роботи

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

У першому розділі представлений аналіз фізико-хімічних процесів і явищ гідратації та фізико-механічних процесів організації структури цементних систем в залежності від складу часток дисперсної фази, включаючи мінеральні наповнювачі. Проаналізований зв'язок між структурою та властивостями будівельних композитів та розглянуті основні методи активації як окремих складових, так і системи в цілому.

Проведений аналіз показав, що в основі взаємодії часток цементу між собою та з водою лежать електричні сили. Полімінеральність та полідисперсність дисперсної фази (наприклад, полі - або моно-мінеральні зерна цементу, практично моно-мінеральні частки двуводного гіпсу та мінеральних наповнювачів) закладають передумови їх об'єднання в структурні агрегати (кластери), що дає підстави віднести подібний процес до фізико - механічного чинника організації структури. Одночасно з утворюванням структурних агрегатів зароджуються нові для системи структурні складові - внутрішні поверхні розділу. Склад та розмір агрегатів, отже протяжність та площа поверхні внутрішніх поверхонь розділу, в значній мірі залежать від природи часток наповнювачів. При цьому проведений аналіз дозволяє дійти висновку, що незалежно від хімічної активності часток наповнювачів, їх можливо розглядати як самостійні елементи структури, які приймають досить активну участь в початковому структуроутворені. В свою чергу початкова структура закладає основу подальшому протіканню фізико-хімічних процесів гідратації в'яжучих.

Літературний огляд вітчизняної та зарубежної літературі показав, що властивості кінцевого продукту (цементного каменя, розчинів та бетонів) в значній мірі залежать від його структури. Так як структура зароджується та розвивається під час технологічних періодів отримання початкової суміші певного складу та її переробки в вироби і подальшими умовами тужавіння, то, як відмічено в огляді, вона визначає рівень властивостей і здатність підтримувати цей рівень під час експлуатації будівельних конструкцій. Це дозволило дослідникам розглядати будівельні матеріали та конструкції як відкриті складні системи. Відмічається, що такі системи можуть проявляти спроможність до саморегуляції структури під час зародження матеріалу як цілісної системи, та до проявлення явищ адаптації під час дії на матеріали конструкцій експлуатаційних навантажень. В залежності від швидкості реакцій на зовнішні дії запропоновано виділяти консервативні, метастабільні та активні елементи структури будівельних композитів. До активних елементів спеціалісти відносять технологічні тріщини та внутрішні поверхні розділу, так як вони включаються в роботу практично одночасно з дією на систему зовнішніх або внутрішніх чинників. Зміна параметрів активних елементів ініціює фізико-хімічні процеси подальшої гідратації (вступ в дію метастабільних елементів структури). Узгодженість дії активних та метастабільних елементів забезпечує, через явища адаптації, зовнішню та внутрішню безпеку системи протягом тривалого часу виконання своїх функцій.

В силу того, що будівельні композити розглядаються як відкриті системи, то, як показав огляд науково-технічної літератури, запропонована та реалізована широка гама зовнішніх дій на систему з метою більш повного розкриття потенціальних можливостей. Аналіз дозволив розділити методи активації на активацію окремих складових (наприклад, механічна активація зерен цементу та наповнювача, обробка заповнювачів, магнітна обробка води, хімічна та термічна обробка заповнювачів і т.п.), та обробка всієї системи (наприклад, термічні методи, механічні, механохімічні і хімічні методи, застосування хімічних добавок різної дії та призначення і т.п.). При цьому відмічається, що всі методи, незалежно від механізму їх дії, направлені на зміну енергетичного потенціалу поверхонь розділу фаз. Характерно, що система реагує як на включення в її склад компонентів, які активізують структуроутворення (внутрішній чинник), так і на повний набір зовнішніх дій (зовнішній чинник). Проведений аналіз дозволив висунути наступну гіпотезу - зміна дії електромагнітних хвиль як зовнішнього чинника зі сполученням зміни якісного та кількісного складів мінеральних наповнювачів як внутрішнього чинника призводить до змін умов початкової організації структури будівельних композитів як відкритих самоорганізуючих систем, що повинно вплинути на кінцеву структуру і, таким чином, на властивості кінцевого матеріалу з умовою раціонального використання цементу. З огляду на вищенаведене у дисертаційній роботі сформульована мета досліджень та задачі для її досягнення.

У другому розділі наведена загальна розроблена блок-схема досліджень, наведені дані по характеристиці використаних матеріалів і визначені основні методи досліджень.

При розробці блок-схеми досліджень активованих цементних композицій та бетонів як складних відкритих систем враховували взаємовплив та взаємозв'язок між окремими елементами та локальними структурами з метою кількісного та якісного опису інтегральної структури системи та оцінювання її впливу на властивості кінцевого продукту.

У дослідах використовувались бездобавочний портландцемент та шлакопортландцемент ЗАТ "Одесацемент", кварцовий наповнювач з різною питомою поверхнею, кварцовий пісок, гранітний щебінь фракції 5-20 мм та хімічні добавки.

Зміну зовнішніх електромагнітних дій здійснювали за допомогою фрактально-матричних резонаторів, принцип дії яких базується на здатності зміни параметрів електромагнітних хвиль при їх наскрізному проходженні через спеціальний малюнок, зроблений за допомогою графітовмістюючих фарб (патенти №1124; №8277). При проведені досліджень зразки розмішувались на певний час в зону дії матриць, після чого визначали їх властивості в порівнянні з неактивованими зразками.

Об'ємні зміни тужавіючих систем визначили за допомогою спеціальних датчиків. Пошкодженість зразків із цементного каменю та бетону оцінювали за допомогою коефіцієнта пошкодженості K_П, який визначали з виразу K_П=L_Т/l, де L_Т - довжина тріщин руйнування, см, l - геодезична лінія, яка сполучає точки виходу руйнівної тріщині на протилежні поверхні зразка. Технологічні тріщини та внутрішні поверхні розділу проявили та фіксували за рахунок нанесення на поверхню зразків спеціальних розчинів.

Механічні властивості визначали відповідно до вимог чинних стандартів з використанням повірених засобів вимірювання. Проведення експериментів здійснювали за допомогою методів математичного планування експериментів за спеціальними планами, синтезованими в системі "COMPEX" (В.А. Вознесенський, Т.В. Ляшенко).

У третьому розділі бетони розглядаються як складні динамічні відкриті системи, що припускає наявність взаємодіючих підсистем. В якості окремої підсистеми запропоновано вважити мікроструктуру бетону, яка представлена цементно-водними композиціями, що здатні спонтанно змінювати свою структуру і що повинно відображатися на зміні властивостей самої підсистеми і системи в цілому. Підтвердженням впливу зміни зовнішніх чинників на поведінку систем є експериментальні результати по зміні властивостей тужавіючих цементно-водних композицій різного складу.

Обґрунтуванням уявлення мікроструктури бетону як відкритої динамічної системи є наступне: - вона складається з взаємозв'язаних та взаємодіючих елементів; - властивості мікроструктури не зводяться до властивостей окремих складових; - цементно-водні композиції в якості підсистеми спроможні обмінюватися з навколишнім середовищем масою, енергією та інформацією. Особлива чутливість такої системи до зовнішніх дій повинна проявлятися на стадії її становлення (зародження). Це пов'язано з тим, що на етапі створення системи кожний її елемент знаходиться в певних відношеннях з іншими елементами. Рівень взаємодії в значній мірі повинен залежати не тільки від взаємодії "елемент - елемент”, але і від зовнішньої дії по схемі "зовнішнє середовище - (елемент-елемент)". Для підтвердження була проведена серія досліджень на моделях мікроструктури як грубо дисперсних ліофобних відкритих системах. Подібне уявлення припускає, що початкова організація структури проходить в результаті прагнення системи до термодинамічної рівноваги за рахунок зменшення міжфазної площі поверхні розділу часток дисперсної фази та дисперсійного середовища, яке реалізується за рахунок індивідуальних актів міжчасткової взаємодії.

В якості моделей часток цементу використовували металеві (алюміній та залізо) порошки з розміром окремих часток до 0,01 мм, а також спінені гранули полістиролу та пелюстки чаю з розміром до 5 мм. Дисперсійним середовищем була прийнята вода. Паралельно моделі одного кількісного та якісного складів аналізували при дії фрактально-матричних резонаторів та без такої дії. Контролювали розмір окремих структурних агрегатів (кластерів), їх кількість та кількість часток в кластерах. Проведений аналіз дозволив встановити, що незалежно від природи часток дисперсної фази в модельних системах під дією фрактально-матричних резонаторів середній розмір кластерів в три рази більший між в моделях, організація структури яких проводилася в звичайних умовах. При цьому кількість часток в кожному агрегаті збільшується до трьох разів, зменшується загальна довжина лінії розділу між структурами утвореннями та дисперсійним середовищем при зміні відстані між окремими кластерами. Проведені дослідження підтвердили припущення, що дисперсні системи, до яких належать цементно-водні композиції, є відкритими системами, які здатні самоорганізовуватися в залежності від рівня зовнішніх дій на систему.

Одною із змістовних характеристик тужавіючої мікроструктури бетонів є її об'ємні зміни. Це пов'язано з тим, що об'ємні зміни мікроструктури, як своєрідної матриці, визначають взаємодію з заповнювачами від яких залежать в значній мірі властивості бетону як цілісної системи. Крім того по величині та швидкості розвитку об'ємних деформацій можливо непрямо оцінити глибину фізико-хімічних процесів та явищ, які супроводжують гідратацію в'яжучих систем. Об'ємні зміни контролювали за допомогою спеціальних датчиків, які імітували поведінку матричного матеріалу при його взаємодії з заповнювачами. Досліди показали, що за рахунок використання матриць міняється характер розвитку та абсолютні величини об'ємних змін, рис.1.

Рис.1. Вплив зовнішньої активації на об'ємні зміни тужавіючих цементних композицій. а) В/Ц=0.31; б) В/Ц=0.35. 1 - контрольні склади; 2 - склади, що тужавіють під дією матриць.

Проведені дослідження дали змогу встановити, що при застосуванні матриць в якості зовнішніх активаторів міняється характер розвитку та величина об'ємних змін тужавіючих цементних композицій. В цілому об'ємні зміни активованих систем на основі шлакопортландцементу зменшуються від семи до десяти разів, а на основі портландцементу - 1,5…1,6 разів в залежності від початкової кількості води. Подібні залежності зберігаються в випадку використання добавок-пластифікаторів С-3, Супер-Флуд та Супер-М в кількості 1% від маси цементу при збережені постійних реологічних характеристик цементного тіста.

Однією із похідних характеристик глибини та швидкості протікання фізико-хімічних процесів є зміна температури тужавіючих цементних композицій. Досліди показали, що зміни температури більш залежить від початкового В/Ц ніж від зміни зовнішніх чинників.

Структурні зміни, які протікають в мікроструктурі під впливом зміни зовнішні дій, викликають зміни періодів її тужавлення, табл.1.

Таблиця 1.

Вплив активації і водоцементного відношення на терміни тужавлення цементних композицій

№	Вид цементу	Спосіб актив.	В/Ц	Фн, год. хв.	Тк, год. хв.
1	ПЦ	-	0,3	5 г.16 хв.	8 г.1 хв.
2	ПЦ	-	0,35	5 г.40 хв.	8 г.5 хв.
3	ПЦ	А	0,3	2 г.56 хв.	8 г.3 хв.
4	ПЦ	А	0,35	3 г.10 хв.	8 г.7 хв.
5	ШПЦ	-	0,3	4 г.07 хв.	6 г.15 хв.
6	ШПЦ	-	0,32	4 г.05 хв.	6 г.10 хв.
7	ШПЦ	-	0,37	5 г.23 хв.	7 г.25 хв.
8	ШПЦ	А	0,3	2 г.29 хв.	6 г.01 хв.
9	ШПЦ	А	0,32	2 г.55 хв.	6 г.00 хв.
10	ШПЦ	А	0,37	4 г.20 хв.	6 г.45 хв.

Аналіз показав, що в середньому початок тужавлення активованих систем зменшується більш ніж на дві години для композицій на основі портландцементу та до 1,5 год. для композицій на основі шлакопортландцементу. При цьому встановлено, що активація практично не впливає на кінець тужавлення прийнятих в дослідах цементних композицій. Аналогічний вплив активації виявлений в випадках використання добавок-пластифікаторів. Досліди показали, що для проявлення ефектів зовнішньої активізація достатньо протягом 30 хвилин забезпечити находження зразків під впливом фрактально-матричних резонаторів.

Зміна об'ємних деформацій тужавіючої активованих мікроструктури веде до зміни її технологічної пошкодженості, яку оцінювали за допомогою коєфіціента пошкодженості Кп. Досліди показали, що активація дозволяє змінювати Кп до 10…14% в залежності від початкового В/Ц. В свою чергу зміна технологічної пошкодженості викликає зміну механічних характеристик активованих систем. Проведені досліди дозволили встановити, що зовнішня активація дає змогу підвищити міцність при стиску композицій на основі портландцементу і шлакопортландцементу з хімічними добавками і без них від 5 до 20%. Отримані залежності зберігаються у часі, табл.2.

Таблиця 2.

Зміна міцності при стиску активованої мікроструктури бетонів в часі

№ п/п	Вид цементу	Вид добавки	В/Ц	Активація	Rbt, МПа у віці, діб.
					28	360*	720*
1	ПЦ	-	0.27	-	64.0	68.8/1.08	-
2	ПЦ	-	0.27	+	64.6	73.6/1.14	-
3	ПЦ	-	0.30	-	47.2	-	61.2/1.29
4	ПЦ	-	0.30	+	53.6	-	63.6/1.19
5	ПЦ	-	0.35	-	45.2	-	50.8/1.19
6	ПЦ	-	0.35	+	40	-	59.6/1.49
7	ПЦ	С-3	0.22	-	59.8	62.8/1.05	-
8	ПЦ	С-3	0.22	+	62.6	66.8/1.05	-
9	ПЦ	Супер-М	0.24	-	59.1	61.6/1.05	-
10	ПЦ	Супер-М	0.24	+	62.6	64.5/1.03	-
11	ПЦ	Супер-Флуд	0.24	-	64.6	71.4/1.11	-
12	ПЦ	Супер-Флуд	0.24	+	68.9	73.2/1.06	-
13	ШПЦ	-	0.30	-	51.0	-	72.8/1.14
14	ШПЦ	-	0.30	+	59.8	-	69.2/1.17
15	ШПЦ	-	0.32	-	53.0	-	66.0/1.25
16	ШПЦ	-	0.32	+	54.8	-	72.0/1.33
17	ШПЦ	-	0.37	-	47.0	-	61.0/1.30
18	ШПЦ	-	0.37	+	41.5	-	58.9/1.41

* - над рискою - міцність при стиску, МПа;

під рискою - відношення міцність при стиску після 360 і 720 діб до R 28

Як показав проведений аналіз, міцність зразків на розтяг при згибі залежить в основному від початкового В/Ц. Зберігається загальна залежність зміни міцності в часі. При цьому, в залежності від початкового складу, міцність при стиску активованих композицій до 18% більше ніж міцність при стиску контрольних зразків.

Таким чином підтверджено припущення, що мікроструктура як підсистема бетону є відкритою самоорганізуючою системою яка здатна спонтанно міняти свою структуру при зміні зовнішніх дій, що веде до змін властивостей тужавіючих композицій та підвищення міцності при стиску яке зберігається в часі.

У четвертому розділі приведені експериментально-теоретичні результати по впливу зовнішньої (за рахунок трансформації зовнішніх електромагнітних хвиль) та внутрішньої (за рахунок використання раціональних наповнювачів) активації на зміну властивостей тужавіючої та затверділої мікроструктури бетонів.

В якості мінеральних наповнювачів був використаний мелений до різної питомої поверхні кварцовий пісок. Вибір природи наповнювача обумовлений тим, що кварцовий наповнювач практично не вступає в обмінні хімічні реакції при гідратації цементу при нормальних температурах, що дає змогу оцінити його вплив на фізико-механічні процеси організації мікроструктури бетону, та бетонів.

Експериментальні роботи проводили з використанням методів математичного планування експерименту. В якості незалежних змінних факторів прийняті кількість наповнювача (Х₁=25±10%) та їх питома поверхня (Х₂=300±200 м²/кг). Заздалегідь проведені досліди показали, що при заміні частини цементу відповідною кількістю наповнювача рухомість цементного тіста практично не змінювалась. Одночасно з одним і тим же складом проводили дві серії експериментів. В першій вивчався вплив внутрішньої активації за рахунок використання наповнювачів на зміну властивостей мікроструктури. В другій - вплив комплексної активізація за рахунок використання наповнювачів і трансформованих зовнішніх електромагнітних хвиль на властивості цементних композицій.

Аналіз отриманих результатів дав змогу встановити, що за рахунок внутрішньої активації початкові об'ємні зміни тужавіючих композицій змінюються в 2.5 разів.

Рис.2. Вплив внутрішньої та комплексної активація на початок та кінець тужавлення мікроструктури бетону

а) Вплив внутрішньої активація на ф_п

б) Вплив комплексної активація на ф_п

в) Вплив внутрішньої активація на ф_к

г) Вплив комплексної активація на ф_к

Відмічено, що на розвиток початкових об'ємних змін більш впливає питома поверхня наповнювачів порівняно зі зміною їх кількості. Комплексна активація веде до зменшення початкових об'ємних змін у 1,5…2 рази. При цьому зберігається вплив кількості та складу кварцових наповнювачів на розвиток початкових об'ємних змін. Проведені досліди та їх аналіз підтвердили, що мікроструктура є відкритою самоорганізуючою підсистемою бетонів, яка здатна адекватно реагувати на зміну активуючої дії внутрішніх та зовнішніх факторів.

Як показали досліди, внутрішня та комплексна активація ведуть до зміни періодів формування структури цементних композицій, рис.2.В залежності від питомої поверхні наповнювачів початок тужавлення змінюється до 1.5 годин. Запровадження комплексної активації веде до загального скорочення часу початку тужавлення та до зміни часу кінця тужавлення. Отримані результати підтверджують достатню активність запропонованих методів управління структуроутворенням цементних композицій як підсистем бетонів. Раніш проведені досліди показали, що як внутрішня так і зовнішня активації ведуть до зміни кількісного та якісного складів кластерних структур і, тим самим, до утворення міжкластерних поверхонь розділу, які спроможні залишитися в структурі затверділого матеріалу у вигляді технологічних тріщин та внутрішніх поверхонь розділу. Проведені досліди показали, що внутрішня та комплексна активації дають змогу зменшити коефіцієнт пошкодженості на 10% при умові використання раціональних складів наповнювачів, що припускає дійовий вплив на зміну механічних властивостей мікроструктури бетону і самого бетону.

Проведені досліди показали, що за рахунок внутрішньої активації можна змінювати значення міцності на розтяг при згині в 1.6 разів (від R_bt=4.3МПа до R_bt = 6.7МПа). Комплексна активація, при збереженні загальної залежності впливу наповнювачів, веде до збільшення R_bt до 40%. Вплив комплексної активації зберігається при твердінні зразків в природних умовах до 160 діб. Прийняття рішень по застосуванню прийнятих методів управління процесами структурування повинні будуватися, крім значень R_bt, на зміні міцності при стиску R_b. Вплив внутрішньої активізації на зміну R_b в часі показаний на рис.3.

Рис.3. Вплив внутрішньої і комплексної активації на зміну R_b: а, б - внутрішня активація (28 та 160 діб відповідно); в, г - комплексна активація (28 та 160 діб відповідно).

Внутрішня активація дозволяє змінювати значення R_b від 22% до 36% в віці 28 та 160 діб. Отримані результати вказують на можливість вирішування задач збільшення міцності при стиску та зменшення клінкерної складової цементів за рахунок використання раціональних наповнювачів в умовах забезпечення потрібної міцності. Комплексна активація, як показують досліди, веде до збільшення міцності при стиску до 12% в порівняні з внутрішньою активацією.

Експериментально-теоретичні дослідження показали, що внутрішня і комплексна активації зводять до мінімуму початкові об'ємні зміни, що веде до зменшення технологічної пошкодженості та до підвищення міцностних властивостей мікроструктури. Це дає підставу вважати, що прийняті методи управління процесами організації структури будуть спонукати утворення такої структури, при котрій механічні властивості бетонів як систем організованих по типу "структура в структурі" провинні підвищуватися. Для підтвердження цього була здійснена серія експериментів, в яких визначалась пошкодженість, R_b та модуль пружності Е бетонів після тужавіння в нормальних умовах 28 та 360 діб. Пошкодженість бетонних зразків визначали за допомогою коефіцієнта пошкодженості Kп=L/S (см/см²), де L - загальна довжина технологічної тріщини та внутрішніх поверхонь розділу, виявлених на поверхні зразків; S - площа поверхні, на якій вони виявлені. Склади бетонів наведені в табл.3.

Таблиця 3. Склади досліджених бетонів

Шифр складу	Вид активації	Витрати матеріалу, кг/м3
		Наповнювачі	Цемент	Пісок	Щебінь
С-1	Внутрішня		330	684	1187
С-2	Комплексна		380	649.4	1187
С-3	Внутрішня	82.5	247.5	684	1182
С-4	Комплексна	82.5	247.5	684	1187
С-5	Внутрішня	95	285	649.4	1127
С-6	Комплексна	95	285	649.4	1127

В табл.4 приведені основні властивості досліджених бетонів.

Таблиця 4. Властивості досліджених бетонів

Шифр складу	Міцність при стиску Rb (МПа) у віці, діб.	Модуль пружності Е, МПа*103 у віці, діб.	Кп, см/см2
	28	360	28	360
С-1	25.1	29.6	26.3	29.3	0.340
С-2	31.5	36.1	30.2	36.1	0.380
С-3	24.7	28.4	26.5	28.6	0.306
С-4	32.2	36.1	32.1	37.3	0.255
С-5	30.7	35.2	32.9	38.6	0.37
С-6	35.7	36.3	35.4	42.4	0.31

Аналіз наведених результатів показав, що комплексна активація викликає зменшення Kп в середньому на 24 %, збільшенню R_b та Е на 28% і 24% відповідно. Відмічена залежність зберігається після 360 діб зберігання зразків в природних умовах. При цьому кількість цементу знижується на 25%. Таким чином підтверджується припущення, що направлена організація мікроструктури як підсистеми сприяє підвищенню властивостей бетону як відкритої самоорганізуючої системи.

Експериментально-теоретичні дослідження лягли в основу розроблених технологічних схем внутрішньої та комплексної активації при виготовлені залізобетонних конструкцій. Технологічні схеми розроблені для виробництва залізобетонних конструкцій в заводських умовах та при їх виготовленні на будівельних майданчиках. В заводських умовах передбачено введення раціональних наповнювачів та хімічних добавок при приготуванні бетонних сумішей. Розроблені технологічні рішення застосування фрактально-матричних резонаторів в залежності від способу виробництва (агрегатно-поточного, конвейєрного та стендового). Запропоновані різні фіксації плівок-матриць на окремих формах, технологічному устаткуванні та в вигляді просторових конструкцій (ковпаки, кришки, піддони і т.п.). Застосування не потребує встановлювати допоміжне технологічне устаткування, легке в експлуатації, технологічно безпечне.

Проведений аналіз сучасного каркасно-монолітного будівництва показав повсюдне застосування інвентарної опалубки при бетонуванні горизонтальних поверхонь та вертикальних виробів (колони, діафрагми, шахти ліфтів і т.п.). В зв'язку з тим, що для кожного будівельного об'єкту бетонна суміш поставляється індивідуально, то дати узагальнений метод внутрішньої активації не є можливим. Тому було прийнято рішення застосування метода зовнішньої активації шляхом використання плівок-матриць. Конструкція інвентарної опалубки дозволяє стаціонарно встановлювати на них плівку-матрицю технічно прийнятними для кожного випадку шляхом (прикладну установку рамних каркасів і т.п.). Крім того рекомендується покривати свіжевідформовану бетону поверхню каркасами із матриць, що, крім активації, дозволяє вирішувати задачі догляду за бетоном.

При впроваджені розроблених схем активації були визначені будівельні фірми, до складу яких входять бетонні заводи, які обслуговують будівельні об'єкти даної фірми. До таких фірм відносяться "Стікон", який протягом багатьох років будує каркасно-монолітні житлові та соціальні будівлі різної етажності. Це дало можливість впровадити комплексну активацію (введення раціональних наповнювачів в залежності від класу та призначення бетону та встановлення плівок-матриць на інвентарну опалубку). Комплексна активація дозволила перерахувати склади бетонів, що дало змогу зменшити кількість цементу до 11% при забезпечені нормативної міцності. За період 2008-2009 р. було укладено 1500 м³ активованого бетону.

Висновки

1. Проведений комплекс експериментально-теоретичних досліджень показав, що механічні властивості бетонів як відкритих складних систем можна підвищити за рахунок зміни умов організації їх структури шляхом комплексної (зовнішньої і внутрішньої) активації. Поліструктурна організація бетонів припускає, що структурні зміни на рівні структурної неоднорідності в'яжучого як підструктури, впливають на зміну структури і, отже, властивості бетонів. Зміна параметрів зовнішнього електромагнітного поля як постійно діючого фактора за рахунок застосування спеціальних фрактально-матричних резонаторів веде до зміни умов організації мікроструктури бетонів. Використання раціональних наповнювачів як внутрішнього фактору активації одночасно з активуючою дією зовнішнього фактору дозволяють управляти структуроутворенням тужавіючих систем, що веде до зниження пошкодженості і до підвищення механічних властивостей бетонів. Встановлено, що підвищені рівні міцності зберігаються у часі.

2. Зміна параметрів зовнішніх електромагнітних впливів викликає зміну фізико-механічних умов формування моделей мікроструктури як полідисперсної і полімінеральної системи, що включає в себе частки дисперсної фази з різною електромагнітної сприйнятливістю. Аналіз структур, що утворилися, дозволив встановити, що під дією зовнішньої активації зменшується кількість структурних агрегатів (кластерів) в середньому в 3 рази, збільшується кількість часток дисперсної фази в кластерах при зменшенні довжини міжкластерних поверхонь розділу до 2-х раз.

3. Зовнішня активація композицій на основі портландцементу і шлакопортландцементу з різними В/Ц і хімічними добавками в 1,5.2 рази зменшує початкові об'ємні деформації і зміни температури систем, які тужавіють. Встановлено, що час початку тужавлення активованих композицій скорочується на 30…90 хвилин без зміни часу кінця тужавлення. Показано, що для прояву ефектів зовнішньої активації достатньо протягом перших 30-ти хвилин помістити тужавіючі зразки в зону дії фрактально-матричних резонаторів. Пошкодженність активованих зразків різного складу знижується до 20%, що викликає підвищення міцності при стиску зразків до 20%. Для активованих зразків зберігаються основні залежності зміни міцності у часі. Після 720 діб зберігання в природних умовах міцність активованих зразків в залежності від початкового складу збільшується на 14.49%.

4. Визначено вплив кількості та питомої поверхні кварцових наповнювачів на початкові об'ємні деформації тужавіючих цементних композицій. Спільна дія зовнішніх і внутрішніх активуючих впливів дозволяють у 2.3 рази знизити об'ємні зміни цементних композицій. Структурні зміни, які викликані комплексної активацією, викликають зміни часу періодів формування структури цементних систем. Встановлено, що зовнішня і внутрішня активації дозволяють змінювати час початку тужавлення від 15 до 210 хвилин. При цьому, в залежності від початкового складу, час досягнення кінця тужавлення може бути скорочено від 15 до 90 хвилин.

5. Експериментальні дослідження показали, що пошкодженість активованих зразків технологічними дефектами знижується до 10%. Зміни пошкодженості активованих зразків веде до підвищення міцності на розтяг при згині до 40%. Міцність при стиску в результаті комплексного активації може бути підвищена до 34% після їх тверднення в нормальних умовах протягом 28 діб та до 28% після 160 діб твердіння у природних умовах. Встановлено, що для максимального, в умовах експерименту, прояву ефектів активації необхідно використовувати наповнювачі раціональної питомої поверхні. Зміна питомої поверхні наповнювачів при збереженні їх постійної кількості може призвести до зміни міцності при стиску до 35%. Проведений аналіз дозволив встановити, що за рахунок комплексної активації витрату клінкерної складової можна знизити до 25% при отриманні рівноміцних зразків, що розкриває можливість вирішення задач зниження матеріаломісткості матеріалів на основі цементів.

6. Проведені дослідження підтвердили, що бетони являють собою відкриті складно-організовані системи. Зовнішня і внутрішня активації дозволяють знизити коефіцієнт пошкодженості бетонів до 24%, підвищити міцність при стиску до 28% і модуль пружності до 20%. Використання комплексної активації дозволяє вводити до 25% раціональних наповнювачів без зниження R_b і Е бетонів класу М25 і М30. Встановлено, що в залежності від вихідного складу міцність при стиску активованих бетонів після 360 діб зберігання у нормальних умовах збільшилася від 12% до 30%, що свідчить про збереження основних залежностей зміни міцності бетонів у часі.

7. Комплекс експериментально-теоретичних досліджень дозволив розробити технологічні схеми отримання активованих бетонів і виробів з них, адаптовані до існуючих технологічних ліній при індустріальному виробництві збірних залізобетонних виробів та до умов монолітного будівництва. При індустріальному способі виробництва рекомендується використовувати комплексну активацію. Технологічна схема зовнішньої активації розроблена стосовно особливостей зведення каркасно-монолітних будівель і споруд. У результаті використання зовнішньої активації витрата цементу може бути зменшена на 11% при отриманні рівноміцних бетонів.

Основні положення дисертації опубліковано у роботах

1. Ткаченко Г.Г. Влияние активации на изменение свойств твердеющих и затвердевающих цементных композиций / [Г.Г. Ткаченко, Н.В. Казмирчук, В.Н. Выровой, С.Д. Бородулин] // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип. 20. - Одеса: Місто майстрів, 2005. - С.351-354 - здобувачем проведені лабораторні дослідження впливу зовнішньої активації на властивості тужавіючих цементних композицій.

2. Ткаченко Г.Г. Моделирование процессов структурообразования дисперсных систем при различных внешних воздействиях/ [Г.Г. Ткаченко, Н.В. Казмирчук, С.Д. Бородулин, В.Н. Выровой] // Компьютерное материаловедение и обеспечение качества. Мат-лы 45-го междун. сем. MOK45. - Одесса: Астропринт, 2006. - С.144-145. - здобувачем проведено аналіз впливу зовнішньої активації на властивості тужавіючих цементних композицій

3. Ткаченко Г.Г. Свойства активизированных и затвердевающих композиций / Г.Г. Ткаченко, С.Д. Бородулин // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип.23. - Одеса: Місто майстрів, 2006p. - С.318_324. - здобувачем проведено дослідження властивості цементних композицій, активованих фрактально-матричними резонаторами.

4. Ткаченко Г.Г. Свойства активированных и затвердевающих композиций / Г.Г. Ткаченко // Моделирование в компьютерном материаловедении. Мат-лы 46-го междун. сем. MOK46. - Одесса: Астропринт, 2007. - С.182.

5. Ткаченко Г.Г. Свойства активированных твердеющих и затвердевающих цементних композиций / Г.Г. Ткаченко // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип.27. - Одеса: Місто майстрів, 2007. - С.310_314.

6. Ткаченко Г.Г. Влияние активации на механические свойства цементных композиций / Г.Г. Ткаченко, С.М. Смокова // Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии. Мат-лы 47-го междун. сем. MOK47. - Одесса: Астропринт, 2008. - С. 197. - здобувачем проведено аналіз впливу зовнішньої активації на механічні властивості цементних композицій.

7. Ткаченко Г.Г. Моделирование влияния изменения внешних электромагнитных воздействий на свойства твердеющих цементных композиций / Г.Г. Ткаченко, И.В. Нестеренко // Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии. Мат-лы 47-го междун. сем. MOK47. - Одесса: Астропринт, 2008. - С. 198. - здобувачем проведено аналіз структурних змін цементних композицій під впливом зовнішніх електромагнітних дії.

8. Ткаченко Г.Г. Изучение влияния активации и наполнителей на изменение физико-механических свойств затвердевших строительных материалов / Г.Г. Ткаченко, С.Д. Бородулин // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип.31. - Одеса: Місто майстрів, 2008. - С.357-360. - здобувачем проведені лабораторні дослідження впливу комплексної активації на фізико-механічні властивості цементних композицій

9. Выровой В.Н. Влияние внешней активации и степени наполнения на начальные объемные изменения в твердеющих цементных композициях / [В.Н. Выровой, Г.Г. Ткаченко, С.А. Кровяков, С.Д. Бородулин] // / Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип.33. - Одеса: Зовнишрекламсервіс, 2009. - С.167_171. - здобувачем проведено аналіз об'ємних деформацій та міцності бетону, активованому зовнішньою та внутрішньою активаціями.

10. Ткаченко Г.Г. Изучение влияния внешних и внутренних факторов на формирование микроструктуры бетонов / Г.Г. Ткаченко // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип.35 - Одеса: Місто майстрів, 2009. - С.342 - 348.

11. Ткаченко Г.Г. Вплив комплексної активації на властивості цементних композитів як відкритих систем / Г.Г. Ткаченко, С.А. Кровяков // Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип.39. - Одеса: Зовнишрекламсервіс, 2010. - С.274-280. - здобувачем проведено аналіз вплива комплексної активації на властивості цементних композитів.

Анотація

Ткаченко Галина Георгіївна "Комплексна активація мікроструктури бетонів як відкритих складних систем”. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали і вироби. - Одеська державна академія будівництва і архітектури, Міністерство освіти і науки України, Одеса, 2011 р.

Досліджено можливість підвищення механічних властивостей бетонів як відкритих систем за рахунок організації їх структури шляхом зовнішньої активації зміненим електромагнітним полем і внутрішньої активації раціональними наповнювачами. Показана доцільність активізації цементних композитів за допомогою фрактально-матричних резонаторів. Вивчено вплив зовнішньої і внутрішньої активації на зміну структури, механічні властивості і пошкодженість цементних композицій та бетонів. Показано, що комплексна активація дозволяє керувати термінами тужавлення в'яжучих і модулем пружності бетонів, а також, знизити початкові об'ємні деформації і підвищити міцність бетону. Розроблено технологічні схеми для зовнішньої активації бетонних та залізобетонних виробів в промислових умовах.

Ключові слова: цементні композиції, зовнішня активація, внутрішня активація, наповнювач, фрактально-матричні резонатори, організація структури, відкриті системи, кластери, пошкодженість.

Аннотация

Ткаченко Г.Г. Комплексная активация микроструктуры бетонов как открытых сложных систем. Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Министерство образования и науки Украины, Одесса, 2011.

Диссертация посвящена улучшению качественных показателей строительных материалов при снижении их материалоемкости за счет уменьшения расхода цемента при совместном использовании внешней электромагнитной активации (фрактально-матричные резонаторы) и внутренней активации (использование наполнителей).

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В первом разделе выполнен обзор литературных источников по теме диссертации. Проанализированы и приведены методы улучшения механических свойств цементных композиций и материалов на их основе за счет направленной организации их структуры путем комплексного воздействия а также применения химических добавок.

Второй раздел посвящен методике проведения исследований. Приведены методики определения физико-механических свойств твердеющих и затвердевших цементных систем, обнаружения и фиксации технологических трещин и внутренних поверхностей раздела. Показано, что через коэффициент поврежденности можно оценить характерные особенности готового материала.

Третий раздел посвящен исследованию цементно-водных композиций как открытых самоорганизующихся систем, на структуру которых влияют внешние электромагнитные воздействия. Изменение внешних воздействий вызывает изменение физико-механических условий формирования структуры моделей дисперсных систем, что позволяет управлять свойствами твердеющих цементно-водных композиций. Использование фрактально-матричных резонаторов ведет к изменению свойств твердеющих цементно-водных композиций различных составов. Проведенные экспериментальные работы показали, что действие на исследуемые системы внешних электромагнитных воздействий влияет на изменение начальных объемных деформаций и температур твердеющих композиций на основе портландцемента и шлакопортландцемента с различным начальным водосодержанием и в случае использования добавок-пластификаторов. Установлено, что для активированных композиций сохраняются основные зависимости изменения прочности во времени.

В четвертом разделе показаны результаты решения задач повышения прочности цементных композиций и материалов на их основе за счет использования рациональных по количеству и удельной поверхности наполнителей. Экспериментально-теоретические исследования позволили разработать принципиальные технологические схемы получения активированных бетонных смесей, адаптированные к производству железобетонных изделий индустриальными способами и в условиях строительных площадок. Для индустриального способа предусмотрена комплексная активация, которая включает в себя технологическую линию подготовки наполнителей требуемого качества и введения их в бетонную смесь, а также технологию внешней активации, специфика которой определяется способом производства изделий. Технологическая схема внешней активации разработана применительно к возведению каркасно-монолитных зданий и сооружений.

Ключевые слова: цементные композиции, внешняя активация, внутренняя активация, наполнитель, фрактально-матричные резонаторы, организация структуры, открыть системы, кластеры, поврежденность.

Abstract

Tkachenko Galina G. Complex activation of the microstructure of concrete as open complex systems. - Manuscript. The thesis for gaining the candidate of science degree on speciality 05.23.05 - Building materials and products. - Odessa State Building and Architecture Academy, Ministry of Education and Science of Ukraine, Odessa, 2010.

The possibility of improving mechanical properties of concrete as open systems due to the structure of their activation by external electromagnetic field and changed the internal activation rational fillings. The expediency of activation of cement composites using fractal-matrix resonators. The influence of external and internal activation to alter the structure, mechanical properties and damages of compositions cement and concrete. Shown that the complex activation to manage in terms of binding and solidification modulus material, and also reduce the initial volumetric strain and increase the durability of concrete. Technological scheme for external activation of concrete and concrete products in the industry.