Важкі бетони для відновлення несучої здатності транспортних споруд

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Важкі бетони для відновлення несучої здатності транспортних споруд

Руденко Д.В.

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

Макіївка - 2007

Вступ

Актуальність теми. Міністерством транспорту і зв'язку України здійснюється програма відновлення й ремонту штучних транспортних споруд. Виконання цієї програми забезпечить безперебійний рух транспортних потоків, незважаючи на вік і технічний стан транспортних споруд. Ремонт таких споруд є складним організаційним, технологічним і матеріалознавчим заходом. Окремі спроби спонтанного проведення ремонтно-відновлювальних робіт виявилися не тільки неефективними, але часто аварійними.

Розширення вимог, що висуваються до матеріалів для відновлення експлуатаційних характеристик транспортних споруд з урахуванням зростаючих динамічних навантажень на конструкції, призводить до того, що, незважаючи на різноманіття композицій, які застосовуються для ремонтних робіт, утруднюється вибір таких матеріалів, що повністю задовольнятимуть необхідному комплексу властивостей. З цієї причини виникає необхідність створення бетонів із заданими технологічними, конструкційними й іншими властивостями. Такі завдання не можуть бути вирішені в повному обсязі за рахунок синтезу нових видів модифікаторів, тому що це пов'язано зі значними витратами. У зв'язку з цим виникає необхідність пошуку економічних шляхів оптимізації властивостей бетонів.

Одним з таких шляхів є розробка бетонів з заданими експлуатаційними властивостями з використанням наявних загальнодоступних сполук, модифікаторів, наповнювачів за рахунок оптимізації їх складів.

Актуальність проведених досліджень полягає у розробці технології бетону, призначеного для ремонтно-відновлювальних робіт для масивних споруд та таких, що експлуатуватимуться в умовах дії агресивного середовища. Підвищення експлуатаційних характеристик бетону забезпечується застосуванням фізико-хімічної активації в'яжучої речовини, що дозволяє істотно заощаджувати енергоресурси і найдорожчий компонент бетону цемент за рахунок збільшення його в'яжучого потенціалу з наступною оптимізацією з комплексу заданих критеріїв: економічності, мінімальних термінів перекриття руху по споруді, що ремонтується, забезпеченню заданого рівня несучої здатності споруди для пропуску великовантажного рухомого складу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася у межах науково-дослідної роботи за рахунок держбюджетних коштів № 0102U003583 “Обґрунтування технологічних характеристик ремонтних складів та розробка технології ремонту локальних пошкоджень штучних споруд (мостів, шляхопроводів)”, 2002-2004 рр. та науково-дослідної роботи на замовлення управління Придніпровської залізниці № 1104U010701 “Дослідження високорухливих бетонних сумішей та розробка рекомендацій щодо їх використання для ремонту підводних частин бетонних транспортних споруд”, 2004-2005 рр. Автор брав участь в експериментально-теоретичних дослідженнях.

Мета роботи і завдання дослідження. Метою роботи є розробка бетонів підвищеної стійкості на активованій в'яжучій речовині для ремонту і відновлення штучних транспортних споруд, що забезпечується використанням хімічно активних компонентів цементної системи.

Для досягнення мети були поставлені й вирішені такі завдання:

- дослідження основних властивостей матеріалів для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах, їхній вибір і визначення вимог до матеріалів;

- визначення складу органо-мінерального комплексу, який забезпечуватиме кристалохімічне модифікування новоутворень цементної матриці ремонтного бетону;

- дослідження процесу структуроутворення зі встановленням закономірностей формування структури активованої цементної матриці, що забезпечує задані експлуатаційні властивості бетону;

- теоретичне обґрунтування фізико-хімічних умов формування структури активованої цементної матриці бетону;

- забезпечення проектного ступеня зчеплення ремонтного бетонного шару з поверхнею конструкцій штучної транспортної споруди, що ремонтується;

- дослідження експлуатаційних властивостей бетону на активованій в'яжучій речовині.

Об'єкт дослідження - властивості бетонів на активованій в'яжучій речовині для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах.

Предмет дослідження - фізико-хімічні закономірності формування структури бетонів на активованій в'яжучій речовині для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах.

Методи дослідження. Дослідження процесу тверднення цементних систем здійснювалося за зміною міцності, кількості хімічно зв'язаної води, ступеня гідратації й порової структури. Для одержання бетону, призначеного для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах, використаний реактор-активатор, що забезпечує фізико-хімічну активацію цементної системи з розвитком процесів хімічної взаємодії гідратних новоутворень в'яжучої речовини з компонентами органо-мінерального комплексу. У дослідженнях використані сучасні ймовірносно-статистичні й кореляційно-регресійні методи, а також системний аналіз із використанням математичного регулювання. Дослідження процесів гідратації і структуроутворення активованих цементних систем провадилися за допомогою інфрачервоної спектроскопії, рентгенофазового і диференційно-термічного аналізу. Властивості цементних систем і бетонів досліджувалися стандартними і спеціальними методами.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлені особливості процесу формування просторової кристалогідратної структури активованої цементної матриці бетону для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах, які полягають в утворенні тришарової моделі водного середовища, відповідно до чого за шаром міцно зв'язаних з поверхнею молекул води розташовується шар з порушеною структурою, іони Са2+ і S6+ викликають стиск дифузних шарів іонів, що послаблює дію сил відштовхування й сприяє активізації сил притягання між частками твердої фази;

- доведено можливість зв'язування в активованій цементній системі вільних іонів Са2+ з утворенням додаткової кількості низькоосновних гідросилікатів і гідроалюмосилікатів кальцію, забезпечуючи підвищення фізико-механічних характеристик бетону, стійкість і довговічність;

- встановлено, що при фізико-хімічній активації цементної системи утворюється гель SiО2, який не зв'язується повністю після активації, а покриває захисною плівкою низькоосновні гідросилікати кальцію, що утворилися на ранній стадії гідратації, гальмуючи або нейтралізуючи швидкість хімічної кінетики гетерогенних реакцій між іонами гідратних новоутворень і рідкого агресивного сульфатного середовища, забезпечуючи підвищення стійкості бетону в агресивних умовах;

- встановлено, що оптимальні за часом та інтенсивністю активаційні дії на цементну систему, які мають кавітаційну природу, створюють умови для спрямованої зміни складу і морфології кристалогідратів: внаслідок виділення кремнегелю із силікатів кальцію й знаходження в рідкій фазі іонів S6+ у низькоосновних гідросилікатах кальцію має місце гетеровалентний ізоморфізм з утворенням важкорозчинних кристалогідратів, які кольматують пори й підвищують експлуатаційну стійкість цементної матриці бетону.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

розроблено технологію бетонів для ремонту і відновлення несучої здатності конструкцій транспортних споруд, що дозволяє використовувати звичайні портландцементи з підвищеним в'яжучим потенціалом за рахунок фізико-хімічної активації цементної системи у присутності органо-мінерального комплексу;

здійснено дослідно-промислове впровадження розробленої технології ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах з використанням бетону на активованій в'яжучій речовині здійснено у Концерні “Гідромонтажспецбуд” на аварійній ділянці водоводу Дніпро - Західний Донбас загальною площею 356 м2. Визначено техніко-економічну ефективність використання бетонів для ремонту і відновлення несучої здатності конструкцій транспортних споруд; сумарний економічний ефект склав більш 40,5 тис. грн.

Особистий внесок здобувача:

- розроблено склад органо-мінерального комплексу бетону для ремонту і відновлення несучої здатності конструкцій транспортних споруд;

- визначено особливості механізму структуроутворення активованої цементної матриці бетону для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах;

- розроблено технологію бетонів для ремонту і відновлення несучої здатності конструкцій транспортних споруд.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлялися на науково-технічному семінарі “Практика застосування добавок до цементів, бетонів і будівельних розчинів” (м. Київ, 2003 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми бетону і його технологій” (м. Київ, 2004 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Стародубовські читання” (м. Дніпропетровськ, 2004, 2005 р.), II науково-технічній конференції “Енергозаощадження в будівництві” (м. Чернівці, 2006 р.), II міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні будівельні конструкції і матеріали” (м. Макіївка Донецької обл., 2006 р.), II міжнародній науково-технічній конференції “Математичні моделі процесів у будівництві” (м. Луганськ, 2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлені у 10 статтях у збірниках наукових праць, що входять до переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 182 сторінках основної частини тексту і складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 161 найменувань, двох додатків і містить 27 таблиць і 29 рисунків.

1. Основний зміст роботи

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

У першому розділі наведено аналітичний огляд досліджень з питання одержання цементних бетонів для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах. Показано, що цей процес вимагає спеціальних досліджень, використання накопиченого досвіду й формування теоретичних основ технології, матеріалознавства й організації ремонтних робіт. Особливо це питання актуальне в наш час, оскільки всі основні дослідження й роботи вимагають перегляду й коректування з урахуванням сучасних техніко-економічних факторів, прогнозування й забезпечення довговічності об'єкта, що відновлюється. Реалізація цього принципу значною мірою досягається належним проектуванням складу бетону і розчину з урахуванням специфічних вимог, які висуваються до таких сумішей: підвищена міцність, висока водонепроникність, однорідність, стійкість в агресивних середовищах, надійне зчеплення нового бетону зі старим, висока зв'язність бетонної суміші при підвищеній рухливості (пластичності), нерозшаровуваність, повільне тужавіння, але швидке тверднення. Основною вимогою до технології ремонту та відновлення несучої здатності елементів транспортних споруд є організація безперервного провадження робіт зі скороченням їхньої тривалості. З розвитком технічного прогресу висуваються нові вимоги до якості ремонту споруд спеціального призначення, розширюються галузі застосування способів укладання бетону.

Сучасний розвиток технології ремонту, а також проектування складів гідротехнічного бетону базується на наукових основах, розроблених А.А. Байковим, П.П. Будніковим, Б.Є. Вєдєнєєвим, Ц.Г. Гінзбургом, В.І. Дмитревським, І.Є. Картелевим, В.А. Кіндом, С.Н. Курочкіним, В.М. Москвіним, Б.Г. Скрамтаєвим, В.В. Стольніковим, С.В. Шестоперовим, В.Н. Юнгом та ін. Велике значення в розробці основ технології гідротехнічного бетону мають також капітальні праці професорів Н.А. Попова, С.А. Миронова, А.Є. Шейкіна, П.І. Боженова, А.Є. Дьосова, Н.А. Мощанського, В.І. Сорокера, А.В. Саталкіна та ін.

Актуальність проблеми ремонту та відновлення несучої здатності конструкцій штучних транспортних споруд у наш час має місце для більшості регіонів України. Проведеними дослідженнями встановлено незадовільний технічний стан більшості транспортних споруд України. Тому поряд з будівництвом нових споруд особливу важливість здобуває необхідність ремонту, реконструкції або відновлення несучої здатності таких споруд.

Значний внесок у вирішення проблеми відновлення несучої здатності конструкцій транспортних споруд та їх захисту від дії агресивного середовища внесли вітчизняні вчені В.С. Артамонов, В.П. Волков, К.В. Гайдук, В.О. Осипов, А.М. Плугін, А.А. Плугін, О.М. Пшінько, А.О. Шкуратовський та ін.

Сполучення комплексу необхідних властивостей ремонтного бетону можливо досягти оптимізацією складу бетону, вибором хімічно активних компонентів і фізико-хімічною активацією цементної системи. При цьому увага приділяється не тільки вибору компонентів бетону й забезпеченню технологічних властивостей бетонної суміші, але й забезпеченню транспортабельності її трубопроводом, що визначає найбільшу ефективність виконання ремонтних робіт. На підставі викладеного сформульовані основні положення гіпотези дослідження:

керування процесами структуроутворення цементної матриці бетону для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах повинно здійснюватися за допомогою фізико-хімічної активації в'яжучої речовини сумісно з органо-мінеральним комплексом, складові якого взаємодіяли б з клінкерними мінералами на кристалохімічному рівні;

така активація в'яжучої речовини повинна забезпечити значне збільшення її питомої поверхні, розкриття силікатних структур часток цементу при одночасній активації компонентів органо-мінерального комплексу, що викличе хімічну взаємодію між ними, забезпечуючи спрямовану зміну морфології й структури кристалогідратних новоутворень, а також високий пластифікуючий ефект у цементній системі без використання суперпластифікаторів;

сполучення висунутих положень забезпечить одержання бетонів, призначених для ремонтно-відновлювальних робіт на штучних транспортних спорудах, що відрізнятимуться підвищеними експлуатаційними властивостями.

У другому розділі наведені основні характеристики матеріалів, найбільш характерних для південного і південно-східного регіонів України, які застосовували у дослідженнях. З метою з'ясування впливу різних факторів на процеси гідратації і структуроутворення цементних систем застосовували різні за мінералогічним складом портландцементи.

При дослідженні дії фізико-хімічної активації на цементну систему бетону для ремонту та відновлення транспортних споруд виникла необхідність розробки спеціальної методики визначення істотності розходження результатів експериментів, що викликано специфічністю комплексних досліджень.

Дослідження процесів структуроутворення активованих цементних систем, а також їх властивостей і властивостей бетону на активованій в'яжучій речовині здійснювали як стандартними, так і спеціальними методами. Використовували рентгенофазовий, диференційно-термічний, мікроскопічний та інфрачервоний спектроскопічний аналізи. Визначення міцністних та деформативних властивостей бетону здійснено з використанням тензометричних методів.

У третьому розділі наведені результати експериментально-теоретичних досліджень процесів структуроутворення активованої цементної системи бетону. Вибір хімічно активних компонентів органо-мінерального комплексу (ОМК) проводився відповідно до кристалохімічних уявлень про механізм гідратації клінкерних мінералів цементу. Роль хімічного оптимізатора структуроутворення складається у збільшенні кількості і зміні морфології стабільної кристалічної фази в одиниці об'єму цементної системи при заданому ступені гідратації, що забезпечуватиме підвищення експлуатаційних характеристик бетону.

Вибір активного мінерального компонента й хімічного оптимізатора структуроутворення визначався трьома принципами: високою ефективністю дії компонентів ОМК на процеси структуроутворення цементних систем; недефіцитністю компонента для промислового виробництва України; економічною доцільністю, що визначає низьку собівартість компонентів у цементній системі.

Фізико-хімічна активація цементної системи здійснюється у реакторі-активаторі за умов розвитку кавітаційних явищ; хімічна частина активації міститься у наступному. У реакторі-активаторі змішується цемент із сіркою й приготовленим водним розчином оцтової кислоти. При взаємодії клінкерних мінералів з водним розчином оцтової кислоти утворюються ацетат кальцію й гель кремнієвої кислоти, які підвищують рухливість цементної системи, що активується. Розчин оцтової кислоти підсилює дію кавітації, сприяючи збільшенню питомої поверхні зерен цементу. Інтенсивно виділяється в рідку фазу гідроксид кальцію, який створює високу лужність і вступає в реакцію із сіркою. Взаємодія Са(ОН)2 із сіркою носить автокаталітичний характер і характеризується сталістю речовинного складу сірковміщуючих сполук кальцію:

3Ca(OH)2+(2n+2)S > 2CaSn+CaS2O3+3H2O (1)

Поряд з полісульфідами й тіосульфатами кальцію утворюється двохводний гіпс:

Ca(OH)2+S+1,5О2+Н2О > CaSO4·2H2O (2)

Усі зміни протікають у цементній системі з незавершеним процесом структуроутворення, тому не викликають руйнування структури, а навпаки, сприяють створенню щільної структури цементної матриці бетону.

Проведеними експериментами встановлений оптимальний вміст елементарної сірки й оцтової кислоти в органо-мінеральному комплексі. Оптимізація складу ОМК здійснювалася за міцністю при стиску зразків, виготовлених з активованої цементної системи. Узагальнені результати досліджень представлені в табл. 1.

Таблиця 1 Оптимізація складу органо-мінерального комплексу

Примітка. Випробовувалися зразки, виготовлені з портландцементу М 400 з водоцементним відношенням, рівним 0,4.

Встановлено, що оптимальний вміст оцтової кислоти в органо-мінеральному комплексі становить 0,01...0,05% від маси цементу, вміст елементарної сірки - у межах 0,01...0,03% від маси цементу. При оптимальному вмісті елементарної сірки в ОМК тіосульфати і полісульфіди кальцію, що утворюються, сприяють підвищенню стійкості бетону на активованій в'яжучій речовині.

При збільшенні вмісту оцтової кислоти утворюється надлишкова кількість кремнегелю, що стехіометрично не дозволяє зв'язати його в гідросилікати кальцію, призводячи до зниження міцності цементної системи. При надлишковому вмісті елементарної сірки утворюється додаткова кількість двохводного гіпсу (2), що призводить до збільшення кількості CaО·Al2O3·3CaSO4·31H2O, перекристалізація якого в моносульфатну форму розтягується в часі і відбувається у затверділій системі.

Оскільки бетон для ремонту й відновлення транспортних споруд призначений для експлуатації в агресивних середовищах, визначено вплив різних агресивних умов на міцність активованої цементної матриці й фактори, що її визначають: морфологію й мікроструктуру фазових складових.

Дослідження зміни структури фазових складових цементного каменя - гідроалюмінатів кальцію і гідрогранатів - в умовах впливу вуглекислого газу показали збільшення ступеня карбонізації гідроалюмінатів звичайного цементного каменя, що призвело до руйнування зразків через 45 діб. В активованій цементній системі внаслідок утворення значної кількості гідрогранатів, які практично не піддаються карбонізації внаслідок низької ізоморфної ємності, не встановлено істотного зниження основних характеристик протягом 180 діб (табл. 2).

Таблиця 2 Експлуатаційна стійкість фазових складових цементної системи

Виходячи з отриманих результатів, передбачалося, що активовану цементну систему повинна відрізняти підвищена сульфатостійкість, результати досліджень представлені на рис. 1. При витримуванні зразків протягом 270 діб в 10% розчині Na2SO4 зниження міцності склало 4,9...8,7%, а 5% розчині MgSO4 - 6,2...9,3%. Таким чином, ступінь агресивності розчину не проявляється так явно на зразках активованої цементної системи, як це має місце при випробовуванні зразків звичайного цементного каменю. Захисні властивості активованої цементної системи в сульфатному середовищі можна пояснити у такий спосіб. При фізико-хімічній активації цементної системи утворюються гель SiО2 і CaSO4·2H2O, які не зв'язуються повністю після активації, а покривають захисною плівкою низькоосновні гідросилікати кальцію, що утворилися на ранній стадії гідратації. Ця плівка гальмує або нейтралізує швидкість хімічної кінетики гетерогенних реакцій між іонами гідратних новоутворень і рідкого агресивного сульфатного середовища. Відповідно до цього, молекулярні об'єми суміші CaSO4·2H2O, геля SiO2 і Mg(OH)2 повинні бути більше об'єму речовин, витрачених на утворення молекул цих сполук. Якщо умова не дотримується, то плівки не достатньо для покриття суцільним шаром усіх цементуючих речовин, у результаті чого вона буде пухка й пориста. Таким чином, захисні властивості плівки залежать від її якості, тобто від коефіцієнта дифузії взаємодіючих часток через плівку.

Відмінності в мінералогічному складі активованої цементної системи, що складаються у зміні процесу утворення й локалізації трьохсульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію і перетворенні його в моносульфатну форму, можна пояснити різким зниженням концентрації іонів кальцію. Крім того, введення органо-мінерального комплексу сприяє стабілізації гексагональних гідроалюмінатів кальцію. на кривих ДТА відзначається пік низькокремнеземистих гідрогранатів, також при температурах 500…510ос зафіксовані інтенсивні піки гідроксиду кальцію, причому набагато раніше, ніж у звичайному цементному камені. Більша площа піків дозволяє припустити, що в активованій цементній системі гідроксид кальцію синтезується інтенсивніше. Очевидно, раннє осадження Са(ОН)2 пов'язано з тим, що його частки захоплюються метастабільними гідросилікатами або адсорбуються силікатними іонами, утвореними під впливом розчину оцтової кислоти, утворюючи конгломерат.

Утворення просторових кристалізаційних структур відбувається переважно за рахунок міжчасткової конденсації по силанольних групах гідросилікатів кальцію й олігомеризації силікатних аніонів. Побудова просторових структур супроводжується епітаксійним зрощенням кристалів на фоні когезійно-адгезійних взаємодій, у результаті чого відбувається зарощування зазорів між агрегатами при їхньому зближенні один до одного.

При дослідженні процесу структуроутворення активованої цементної матриці бетону методом рентгенівської дифрактометрії проглядаються лінії моногідросульфоалюмінату кальцію C3ACSH12 (d/n=8,80; 4,50; 3,9910-10 м), чотирьохкальцієвого гідроалюмінату C4AH12 (d/n=7,80; 3,8510-10 м); кальциту СН (d/n=4,92; 2,61; 1,7910-10 м). Гідросилікати типу CSH(I) дають збільшення інтенсивності піків d/n=3,03 і 1,83...1,8510-10 м. Кількість гідратних фаз в активованій цементній системі значно більше; спостерігається підвищення ступеня гідратації в'яжучої речовини, про що свідчить зменшення інтенсивності ліній реліктових клінкерних мінералів. Наприклад, лінії C3S і C2S у віці 1 доби зменшуються майже в три рази.

З метою визначення закономірностей якісного формування мікроструктури досліджена пористість активованої цементної системи. Основний об'єм пор (близько 80%) в активованій цементній системі, що тверднула протягом 1 доби, відноситься до гелевих й кристалізаційних пор радіусом менш 10-7 м; у цементному камені нормального тверднення, навпаки, основний об'єм займають капілярні пори радіусом 10-7...10-6 м. Очевидно, фізико-хімічна активація створює передумови для формування щільної структури цементної матриці бетону (табл. 3).

Таблиця 3 Структура пор цементного каменю

Примітка. Чисельник - показники звичайного цементного каменю, знаменник - те ж, активованої цементної системи.

Мікроскопічні дослідження цементного каменю проведені на різних стадіях гідратації. Введення органо-мінерального комплексу сприяє переходу одних форм структури в інші, термодинамічно більш стійкі, що призводить до виникнення впорядкованих і довершених вторинних структур, які характеризуються високою механічною міцністю. У процесі фізико-хімічної активації цементній системі додатково передається енергія для модифікування матеріалу, причому у збільшенні числа коагуляційних контактів провідна роль відводиться дії хімічних і електростатичних сил притягання. Встановлені особливості процесу утворення кристалогідратів активованої цементної системи, що складаються у зміні процесу утворення й локалізації трьохсульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію і перетворенні його в моносульфатну форму внаслідок різкого зниження концентрації іонів кальцію у рідкій фазі. Крім того, введення органо-мінерального комплексу сприяє стабілізації гексагональних гідроалюмінатів кальцію.

У четвертому розділі представлені результати дослідження фізико-механічних властивостей бетону на активованій в'яжучій речовині.

Необхідність дослідження реологічних властивостей бетонних сумішей, що застосовуються для ремонту та відновлення транспортних споруд, викликана тим, що при проведенні ремонтних робіт в літній період року істотно змінюються водовміст і рухливість сумішей, призначених для використання без призупинення експлуатації споруди.

Фізико-хімічна активація цементної системи призводить до зниження водовідділення у 3…4 рази в залежності від складу ОМК.

Технологічні властивості бетонної суміші у значній мірі визначаються її життєздатністю за певний проміжок часу. На життєздатність сумішей значний вплив чинять умови навколишнього середовища. У лабораторних умовах зміна рухливості суміші в часі визначалася шляхом виміру осідання конуса. Інтенсивність зміни ОК залежала від умов бетонування й виду проведених дослідів. Результати дослідів представлені в табл. 4.

Таблиця 4 Вплив часу витримування бетонної суміші на її рухливість (початкове осідання конуса 15 см)

Граничні водовтрати бетону визначаються величиною граничного фізичного вологовмісту бетону. Основний вплив на масоперенос чинять величина В/Ц, витрата цементу, а також масивність бетонних елементів, що характеризується модулем відкритої поверхні m. Це положення відповідає дослідним даним, згідно яких в початковий термін тверднення водовтрати прямо пропорційні значенню m поза залежністю від умов зберігання елементів. Експериментально встановлено, що величини водовтрат зразків бетону на активованій в'яжучій речовині приблизно однаково низькі незалежно від наявності догляду за бетоном, що дозволяє не вважати за необхідне забезпечення догляду за бетоном при проведенні ремонтно-відбудовних робіт на транспортних спорудах. Це дозволяє знизити собівартість відновлення експлуатаційних властивостей конструкцій. Відзначене підтверджується дослідними результатами визначення відносних водовтрат бетону масивних елементів, наведеними у табл. 5, 6 (у чисельнику - результати визначень звичайного бетону, у знаменнику - бетону на активованій в'яжучій речовині).

Таблиця 5 Відносні водовтрати бетону масивних елементів без догляду

Примітка. Склад бетону 1:1,92:4,33 при В/Ц=0,45.

Таблиця 6 Вплив складу бетону на його водовтрати в різному віці (без догляду)

Досліджено вплив гігрометричного стану на власні деформації бетону транспортних споруд, тому що перевищення швидкості водовтрат бетону в навколишнє середовище над швидкістю підйому вологи із глибинних шарів у зону випаровування визначає умови пластичного тріщиноутворення бетону. При триваючому зневодненні поверхневі шари бетону не в змозі витримувати швидкі зміни власного об'єму, й при протидії цьому з боку глибинних шарів починається пластичне тріщиноутворення. Досліджена початкова усадка бетону з моменту його замішування до 2-добового віку.

При дослідженні усадочних деформацій бетону на активованій в'яжучій речовині встановлено, що величини усадки на протязі терміну вимірювань знаходяться в межах 0,028…0,034 мм/м·год у порівнянні з усередненою швидкістю усадки звичайного бетону 0,371 мм/м·год, що визначає можливість використання бетону на активованій в'яжучій речовині для ремонту та відновлення транспортних споруд незалежно від пори року без істотної зміни деформаційних характеристик. Крім того, в бетоні на активованій цементній системі усадкові деформації у залежності від масивності елементів споруд в 1,8…2,9 рази менші внаслідок значного підвищення в'яжучого потенціалу цементу та зменшенням пористості активованої цементної матриці бетону. Інші фактори - вид в'яжучої речовини, тонкість її помелу, природа заповнювачів - мають менше значення. Вплив температурного фактора на усадкові деформації на порядок нижче, ніж вплив вологості.

У п'ятому розділі представлені результати дослідження експлуатаційних властивостей бетону на активованій в'яжучій речовині. Досліджені також експлуатаційні властивості контактного шару нового і старого бетону, оскільки недостатня міцність зчеплення ремонтного шару з матеріалом поверхні нанесення є причиною порушення монолітної структури конструкції при відновленні споруд спеціального призначення. Міцне зчеплення нового бетону з поверхнею, що ремонтується, має вирішальне значення для якісного виконання ремонтних і відбудовних робіт, а також міцності швів і стиків у спорудах. Для забезпечення міцного зчеплення необхідні дві умови: здатність малого об'єму або малої товщини шару бетону набирати належну міцність; висока якість поверхні в місці контакту нового бетону зі старим. Усадка й рівна поверхня бетону не є основними причинами, що порушують міцне зчеплення нового бетону з поверхнею нанесення.

Дослідження здійснювалися у двох напрямках: визначення впливу умов тверднення на величину адгезії й характер кристалізації новоутворень у зоні контакту; визначення ролі фізико-хімічних процесів у формуванні контактної зони в часі.

Вплив умов тверднення на стан контактної зони досліджувався на зразках раннього віку (до 3 діб), оскільки вплив температурного фактора в цей період найбільш відчутний. Результати досліджень наведені в табл. 7. У дослідженнях використаний портландцемент М 400.

Таблиця 7 Міцність зчеплення нового бетону з відновлюваною поверхнею

Встановлено, що міцність зчеплення нового бетону на активованій в'яжучій речовині незалежно від умов тверднення перевищує міцність зчеплення звичайного бетону у віці 3 діб у 3,1...3,4 рази при нанесенні на природну поверхню. Цей показник при ремонті очищеної поверхні зростає до 4 разів. У віці 28 діб міцність зчеплення збільшується практично в 3 рази незалежно від стану поверхні нанесення.

Таким чином, умови тверднення й стан поверхні не чинять негативного впливу на величину зчеплення ремонтного шару бетону з поверхнею відновлюваної споруди при застосуванні активованої в'яжучої речовини.

Рентгенофазовим аналізом встановлено, що зі збільшенням часу тверднення бетонного шару на активованій в'яжучій речовині кількість новоутворень росте, а також змінюється їхній склад у результаті взаємодії з кристалогідратами поверхні нанесення, особливо на очищеній поверхні. Збільшується інтенсивність ліній низькоосновних гідросилікатів кальцію, наприклад, d/n=3,04; 2,80; 2,76·10-10 м.

Встановлено, що мінералогічний склад цементної матриці нанесеного ремонтного шару бетону на активованій в'яжучій речовині як повністю зануреного у воду, так і при змінному рівні води, представлений наступними гідратними новоутвореннями: CSH(B) з дифракційними максимумами 3,02; 2,80; 1,81·10-10 м; тоберморитоподібними з дифракційними максимумами 3,52; 3,33; 3,02; 2,83; 2,50; 2,42; 2,27; 2,25; 2,14; 2,07; 2,00; 1,84; 1,67; 1,62·10-10 м; ксонотлітом з дифракційними максимумами 7,02; 4,30; 3,62; 3,25; 2,83; 2,70; 2,50; 2,36; 2,25; 2,04; 1,95; 1,84;1,70·10-10 м; C2SH(C) з дифракційними максимумами 5,42; 3,80; 3,02; 2,79; 2,70; 2,56; 2,50; 1,91; 1,81·10-10 м; C2SH(В) з дифракційними максимумами 4,87; 4,09; 3,55; 3,02; 2,83; 2,79; 2,40; 2,27; 2,07; 1,97; 1,87; 1,81; 1,77·10-10 м; гідрогранатами з дифракційними максимумами 5,20; 4,50; 3,36; 2,29; 2,04; 1,73; 1,71; 1,67; 1,59·10-10 м.

На термограмах зразків бетону на активованій в'яжучій речовині ендоефект при температурі 250оС відповідає дисоціації тоберморитоподібних новоутворень, а при температурі 479оС - розкладанню гідрогранатів. При температурі 537оС спостерігається дегідратація C2SH(В), а при температурі 537оС - C2SH(с) і C2SH2. Ендоефект із максимумом 810оС відповідає дисоціації ксонотліту. Екзоефекти CSH(В) незначні й перекриваються ендоефектами інших гідросилікатів кальцію.

В активованій цементній матриці бетону з часом зростає кількість низькоосновних гідросилікатних фаз, спостерігається перекристалізація гідрогранатів у низькоосновні гідросилікати кальцію. У новоутвореннях цементної матриці бетону на активованій в'яжучій речовині вміст вільного гідроксиду кальцію не перевищує 3...4%, що є необхідною умовою для одержання корозійностійкого матеріалу.

Закономірність поліпшення фізико-механічних характеристик бетону на активованій в'яжучій речовині при тривалому водному зберіганні спостерігається й при визначенні модуля пружності й коефіцієнта Пуасона. Підвищене значення цих характеристик бетону на активованій в'яжучій речовині зберігається протягом всіх термінів випробувань.

Випробування зразків бетону, що зберігалися в концентрованому розчині сульфату натрію, показали наступні результати. У період 90...180 діб у зразках звичайного бетону спостерігалося інтенсивне підвищення модуля пружності. Після 180 діб зазначені характеристики стали змінюватися, тобто почався період деструктивних явищ у бетоні за рахунок кристалізації гідросульфоалюмінату кальцію. Деструктивні явища в цей період в бетоні на активованій в'яжучій речовині не спостерігалися (табл. 8).

Таблиця 8 Деформативні характеристики зразків бетону після витримування в агресивних середовищах

У розчині MgSO4 за рахунок вилуговування гідроксиду кальцію, а також магнезіальної й сульфатної корозії протягом всього терміну випробовувань спостерігали різке зниження міцності звичайного бетону, що склало 34...51% залежно від віку й складу. У бетоні на активованій в'яжучій речовині зниження міцності склало 5...9%.

Більшість елементів бетонних і залізобетонних транспортних споруд розташовано в зоні змінного рівня води, що піддаються позмінному замерзанню й відтаванню в умовах капілярного підсмоктування. Тому бетон, призначений для ремонту й відновлення таких споруд, повинен мати високу морозостійкість. Випробування зразків бетону виконані прискореним методом у сольовому розчині при температурі -50оС, при цьому встановлено збільшення коефіцієнту морозостійкості бетоні на активованій в'яжучій речовині на 31…37% у порівнянні зі звичайним бетоном.

Встановлено, що при використанні активованої цементної системи у складі бетонної суміші відкрита пористість знижується до 7...8% залежно від складу. Проведеними випробуваннями на водонепроникність ремонтного шару бетону встановлено, що бетон на активованій в'яжучій речовині відповідає марці по водонепроникності W 10...12 залежно від складу. Вплив складу ремонтного шару бетону на активованій в'яжучій речовині на коливання водонепроникності виражений не настільки різко, як для звичайного бетону.

ремонтний відновлювальний транспортний цементний

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення й рішення практичного завдання, що полягає у розробці бетонів підвищеної стійкості на активованій в'яжучій речовині для ремонту і відновлення штучних транспортних споруд, що забезпечується використанням хімічно активних компонентів цементної системи.

Основні наукові й практичні результати, отримані в дисертаційній роботі, полягають у наступному.

1. Встановлено, що одержання бетонів з високими експлуатаційними властивостями для ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах можливо при використанні активованої в'яжучої речовини зі спеціальним органо-мінеральним комплексом поліфункціональної дії, склад якого - оцтова кислота у кількості 0,01...0,05% від маси цементу, елементарна сірка - 0,01...0,03% від маси цементу.

2. З метою визначення закономірностей якісного формування мікроструктури досліджена пористість активованої цементної системи. Пористість цементного каменю нормального тверднення характеризується двома основними групами пор - мікропорами з радіусами 30...40Ч10-8 м і 20...30Ч10-7 м. Фізико-хімічна активація цементної системи зсовує максимуми убік менших радіусів пор - 30...80Ч10-9 м, що свідчить про впорядковану структуру цементної системи у порівнянні з еталонним зразком, і створює передумови для формування щільної структури цементної матриці бетону.

3. Встановлено, що при фізико-хімічній активації цементної системи спрямованим розвитком процесу створюються необхідні умови для утворення матриці - носія майбутніх властивостей необоротної кристалізаційної структури матеріалу. В особливо ранній період гідратації передається енергія для подолання енергетичного бар'єра з утворенням більшого числа коагуляційних контактів. В активованій цементній системі різнорозмірні гідратні елементи упаковуються таким чином, що утворюють кількість контактів на одиницю об'єму на 2...3 порядки більше, ніж у цементній матриці бетону нормального тверднення.

4. Встановлено, що при витримуванні зразків бетону на активованій в'яжучій речовині в сульфатному середовищі зниження міцності при стиску становить 3...6% на відміну від звичайного бетону, міцність якого знижується на 12...23%; коефіцієнт сульфатостійкості Кс перебуває в межах 0,91...0,93 залежно від тривалості витримування й марки використовуваного портландцементу. Стабілізація міцності бетону на активованій в'яжучій речовині в часі свідчить про перевагу конструктивних процесів над деструктивними.

5. Розроблена технологія замонолічування залізобетонних елементів транспортних споруд характеризується відносно низькою собівартістю, а також високими якісними показниками. При замонолічуванні стиків торкретбетоном на активованій в'яжучій речовині досягнуто зниження кількості відскоку на вертикальних поверхнях до 6...7%, на стельових поверхнях - до 8...9%; крім того, підтверджена можливість зниження водоцементного відношення до 0,29...0,3, що практично неможливо при звичайних способах торкретування.

6. Запропоновані дві форми визначення критерію ефективності провадження ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах. Перша форма передбачає досягнення максимуму корисного ефекту при даній витраті ресурсів; такий принцип оптимальності названо принципом максимізації ефекту. При другій постановці оптимальність рішення досягається шляхом мінімізації витрат ресурсів з обов'язковою умовою досягнення заданого корисного ефекту (принцип економії ресурсів).

7. Дослідно-промислове впровадження розробленої технології ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах з використанням бетону на активованій в'яжучій речовині здійснено у Концерні “Гідромонтажспецбуд” на аварійній ділянці водоводу Дніпро - Західний Донбас загальною площею 356 м2. Сумарний економічний ефект склав більш 40,5 тис. грн.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. Пунагин В.Н., Руденко Д.В. Совершенствование технологии высокопрочных бетонов//Вісник Дніпропетровського національного технічного університету залізничного транспорту. - 2001. - Вип. 9. - С. 26-30 (Запропонованийсклад органо-мінерального комплексу).

2. Руденко Н.М., Пунагін В.В., Руденко Д.В. Безпрогрівна технологія бетонів спеціального призначення//Вісник академії: Наук. та інформ. бюл./ПДАБА: Дніпропетровськ. - 2003. - № 6. - С. 44-47. (Розроблено технологію роздільного укладання бетонної суміші).

3. Кушвид А.А., Бугаев В.А., Руденко Д.В. Формирование эксплуатационных свойств монолитного бетона//Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2004. - № 7(77). - Ч. 2. - С. 98-102. (Встановлені особливості механізму структуроутворення цементної матриці).

4. Руденко Н.Н., Руденко Д.В., Пунагин В.В. Особенности процессов структурообразования активированной цементной матрицы бетона//Вісник Дніпропетровського національного технічного університету залізничного транспорту. - 2004. - № 3. - С. 150-153 (Визначений якісний склад кристалогідратів активованої цементної системи).

5. Пунагин В.В., Руденко Н.Н., Руденко Д.В.Формирование структуры цементной матрицы беспрогревного бетона//Композиційні матеріали для будівництва. - Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. - 2004. - № 1(43). - Т. 2. - С. 58-63 (Визначені параметри фізико-хімічної активації цементної системи).

6. Технология защиты конструкций сооружений специального назначения/Пшинько А.Н., Руденко Н.Н., Пунагин В.В., Руденко Д.В., Пунагина Ю.В., Белошицкая Н.И.//Сборник научных трудов Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры “Строительство, материаловедение, машиностроение”. - 2005. - Вып. 35. - Ч. 2. - С. 138-144 (Розроблена технологія ремонту транспортних споруд з використанням бетонних сумішей на активованій в'яжучій речовині).

7. Руденко Н.М, Білошицька Н.І., Руденко Д.В. Фізико-хімічні закономірності структуроутворення бетонів з високими експлуатаційними властивостями//Сборник научных трудов Луганского национального аграрного университета. - 2005. - № 6. - С. 68-75 (Встановлені фізико-хімічні закономірності структуроутворення активованої цементної системи).

8. Особенности физико-химических взаимодействий в активированной цементной матрице бетона/Руденко Н.Н., Пунагин В.В., Белошицкая Н.И., Руденко Д.В., Бугаев В.А.//Композиційні матеріали для будівництва. - Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2006. - № 5(61). - С. 103-109 (Встановлений механізм хімічної дії органо-мінерального комплексу на клінкерні мінерали).

9. Пшинько А.Н., Руденко Д.В., Пунагина Ю.В. Бетоны с высокими эксплуатационными свойствами для специальных ремонтно-восстановительных работ//Вісник Дніпропетровського національного технічного університету залізничного транспорту. - 2006. - Вип. 11. - С. 189-192 (Розроблено технологічну схему виробництва ремонтно-відновлювальних робіт на транспортних спорудах).

10. Руденко Д.В. Бетони спеціального призначення для відновлення транспортних споруд//Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - 2007. - № 71(94). - С. 362-366.

Размещено на Allbest.ru