Модифіковані цементні композиції для ремонту залізобетонних конструкцій методом ін’єктування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

УДК 69.059.2:666.96

Автореферат

Модифіковані цементні композиції для ремонту залізобетонних конструкцій методом ін'єктування

Зінкевич Андрій Миколайович

Дніпропетровськ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту ім. академіка Лазаряна на кафедрі „Будівлі та будівельні матеріали”, Міністерство транспорту України та в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури на кафедрі Залізобетонних та кам'яних конструкцій, Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пшінько Олександр Миколайович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту, завідувач кафедри „Будівлі та будівельні матеріали”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій та будівельних матеріалів;

- кандидат технічних наук, доцент Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри виробництва будівельних матеріалів.

Провідна установа: Національний університет „Львівська політехніка”, кафедра будівельного виробництва інституту будівництва та інженерії довкілля, Міністерство освіти та науки України (м. Львів).

Захист відбудеться „08” квітня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул Чернишевського, 24а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий „06” березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З наростанням темпів фізичного зносу основних фондів, в значній мірі представлених залізобетонними та кам'яними конструкціями, підтримання їх працездатності та ремонт виходять на ведучі позиції в будівельній галузі. В зв'язку з цим все більшої актуальності набувають питання розробки ефективних ремонтних систем та матеріалів, серед яких, одне з чільних місць займають технології з використанням високорухомих ін'єкційних розчинів.

В ряді робіт, присвячених ін'єкційним розчинам, не в повній мірі розглянутий комплекс характеристик та властивостей, необхідних для забезпечення ефективності розчинів як ремонтних матеріалів та надійності системи „ремонтний матеріал-конструкція”, також, запропоновані рецептури не дозволяють отримувати матеріали в вигляді сухих сумішей, що обумовило б значне підвищення їх ефективності. Добре досліджені тампонажні розчини володіють недостатньою міцністю для використання їх в якості конструкційних матеріалів.

Відсутність на ринку України вітчизняних композицій у вигляді сухих сумішей для ін'єкційних методів ремонту визначають актуальність роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження виконувались у відповідності з науково-дослідною роботою № ПР/НТО (П) -02-2/НЮ-221/62.13.02.03 „Розробка тампонажних та ін'єкційних сумішей і технології їх використання при ремонті тунелів” кафедри „Будівлі та будівельні матеріали” Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту (ДР 0102U003584) та в рамках кафедральної держбюджетної науково-дослідної теми „Залізобетонні конструкції при експлуатації в умовах екстремальної дії зовнішнього середовища” кафедри „Залізобетонні та кам'яні конструкції” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (РК 0102U006063).

Мета роботи. Розробка ефективної модифікованої цементної композиції у вигляді сухої суміші для відновлення залізобетонних та кам'яних конструкцій методом ін'єктування.

Задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи обумовила необхідність виконання досліджень для вирішення наступних задач:

визначення впливу комплексу модифікаторів на технологічні характеристики та експлуатаційні властивості ін'єкційних розчинів, в тому числі і в залежності від вологісних умов середовища;

встановлення оптимального співвідношення концентрацій компонентів комплексного модифікатора для отримання ремонтного матеріалу з заданими властивостями;

дослідження фізико-механічних та спеціальних властивостей ін'єкційних розчинів;

розробка основних параметрів технології виробництва та застосування ін'єкційних сумішей, дослідно-виробниче впровадження; визначення економічної ефективності продукту.

Об'єкт дослідження: модифіковані композиції на основі цементних в'яжучих для ін'єкційних методів ремонту

Предмет дослідження - закономірності процесу формування технологічних характеристик та експлуатаційних властивостей матеріалів в залежності від впливу комплексу модифікаторів.

Методи досліджень. Застосовувались наступні методи експериментальних досліджень:

реологічні властивості модифікованих цементних розчинів та кінетика їх зміни протягом часу визначались за допомогою віскозиметрії;

визначення параметрів стійкості розчинів проводилось гравіметричним методом;

характеристики міцності зразків, отриманих при твердінні модифікованих композицій, та кінетика їх зміни протягом часу досліджувались за допомогою стандартних методик;

визначались величини власних деформацій усадки модифікованих композицій та кінетика їх зміни протягом часу при різній інтенсивності вологовтрат;

параметри пористої структури досліджувались за показником кінетики водопоглинання;

експериментально-статистичний метод планування експерименту використовувався для оптимізації складу композиції.

Наукова новизна роботи:

на основі теоретичного обґрунтування визначено комплекс вимог до властивостей ремонтних ін'єкційних розчинів з регламентуванням їх кількісних значень, виконання яких забезпечує надійність роботи ремонтної системи на всіх стадіях її життєвого циклу;

розвинуті уявлення про взаємозв'язок між реологічними властивостями та стійкістю високорухомих розчинів при підвищених концентраціях суперпластифікатора;

уточнені закономірності кінетики утворення коагуляційних структур в розчинних сумішах - концентрованих дисперсних системах модифікованих комплексом додатків;

розвинуті уявлення про закономірності впливу модифікаторів та вологісних умов середовища на величину власних деформацій високодисперсних цементних композицій та їх компенсування;

виявлено закономірності впливу комплексного модифікатора у складі: суперпластифікатор, пластифікатор лігносульфонатного типу, прискорювач твердіння-сульфат натрію, редиспергуючий полімер, активна мінеральна домішка на властивості ін'єкційних розчинів;

експериментальним та математично-статистичним методами обґрунтовано оптимальний склад композиції для ремонту конструкцій методом ін'єктування за встановленими критеріями: низька в'язкість, відсутність седиментації, висока міцність в ранній період твердіння, безусадковість.

Практичне значення отриманих результатів:

отримано кількісні залежності процесів структуроутворення, фізико-механічних та реологічних властивостей модифікованих цементних композицій, що дають змогу прогнозувати поведінку ремонтних матеріалів та проводити коригування рецептури для певних умов середовища;

розроблено ремонтний ін'єкційний матеріал у вигляді сухої суміші з використанням вітчизняної сировинної бази;

ефективність використання розробленого ін'єкційного матеріалу доведено шляхом випуску експериментальних партій сухих сумішей та їх застосування при проведенні ремонту залізобетонних та кам'яних конструкцій на ряді об'єктів.

Особистий внесок здобувача полягає у

проведенні комплексу експериментальних досліджень та теоретичного аналізу результатів, обґрунтованні використання компонентів комплексного модифікатора для отримання ін'єкційного ремонтного матеріалу з заданими властивостями;

розробці технології виробництва та застосування ремонтного ін'єкційного матеріалу, проведенні дослідно-промислової апробації.

Особистий внесок здобувача в наукові роботи: проведено аналіз технологій та матеріалів для ремонту трубопроводів [1], сформовано комплекс методів досліджень властивостей ін'єкційних розчинів [2], встановлено комплекс вимог до ін'єкційного ремонтного матеріалу [3], встановлено залежності власних деформацій модифікованих цементних композицій [4], сформовано комплекс модифікаторів для виготовлення ін'єкційного ремонтного матеріалу у вигляді сухої суміші [5], виконана оцінка впливу модифікаторів на властивості розчинів [6], виконано розрахунок величин напружень в ремонтному матеріалі при його деформуванні [7], проведені дослідження взаємозв'язку реологічних властивостей та стійкості розчинних сумішей [8], проведено дослідження характерних дефектів та пошкоджень конструкцій тунелю [9], досліджувались основні фактори впливу на якість ремонту [10].

Вірогідність результатів досліджень забезпечена використанням фундаментальних положень колоїдної хімії і фізико-хімічної механіки дисперсних систем, застосуванням комплексу фізико-механічних та реологічних методів досліджень, статистичних методів обробки результатів експериментів, їх повторюваністю; підтвердження результатів досліджень виробничим впровадженням.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертаційної роботи були представлені на міжнародних наукових та науково практичних конференціях „Химические и минеральные добавки в цементы и бетоны” (м. Запоріжжя, 2002 р.), „Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве” (м. Бєлгород, Російська Федерація, 2002 р.), „Строительство и архитектура” (м. Мінськ, Білорусія, 2003 р.), „Новейшие технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта” (АР Крим, 2003 р).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 статей в збірниках наукових праць, з них 8 в наукових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку літератури з 132 найменувань на 13 сторінках. Містить 102 сторінки основного тексту, 50 рисунків, 29 таблиць, 2 додатка.

Робота виконувалась на кафедрах „Будівлі та будівельні матеріали” Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. Лазаряна та „Залізобетонні та кам'яні конструкції” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, під керівництвом д.т.н., професора Пшінька О.М. та при наукових консультаціях д.т.н., професора Савицького М.В., яким автор висловлює глибоку вдячність.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В розділі 1 наведений аналітичний огляд літератури за темою та обґрунтування напрямку досліджень. Розглянуто вимоги до ремонтних матеріалів в цілому та ін'єкційних матеріалів зокрема, проаналізовано основні напрямки отримання матеріалів з заданими властивостями за допомогою введення в склад композицій модифікаторів.

Основні положення забезпечення ефективності ремонтних матеріалів висвітлені в роботах Моргана Д.Р., Плугіна А.М., Пшінька О.М., Савицького М.В. та ін. вчених.

Відповідно до специфіки методу проведення ремонтних робіт при ін'єктуванні та для забезпечення надійності сумісної роботи ремонтного матеріалу з матеріалом конструкції ін'єкційні розчини повинні володіти комплексом фізико-механічних та технологічних характеристик, основними з яких є наступні:

висока текучість матеріалу (низька в'язкість), з збереженням на нормованому рівні протягом певного періоду часу;

відсутність седиментаційних процесів;

максимальна стабільність об'єму матеріалу (незначні деформації усадки або розширення);

високий темп набору міцності;

Основні положення отримання матеріалів з заданими властивостями розроблені в роботах Бабушкіна В.І., Баженова Ю.М., Батракова В.Г., Вознесенського В.А., Кривенко П.В.,Мчедлова-Петросяна О.П., Нікіфорова О.П., Пунагіна В.М., Рамачандрана В.С, Ратінова В.Б., Розенберг Т.І., Рунової Р.Ф., Саницького М.А., Сторожука М.А., Ушерова-Маршака А.В., Федоркіна С.І. та ін.

Застосування комплексів додатків-модифікаторів дозволяє отримувати композиції з заданими властивостями на основі традиційних в'яжучих, що дає змогу проводити ремонтно-відновлювальні роботи в специфічних та складних умовах при забезпеченні якості та довговічності.

Реологічні властивості та стійкість ін'єкційних розчинів значною мірою визначають їх технологічну ефективність. Закономірності взаємозалежності реологічних властивостей та стійкості (агрегативної та седиментаційної) концентрованих дисперсних систем, якими являються цементні суспензії вивчались в роботах Ребіндера П.А., Ахвердова І.М., Круглицького М.М., Урьєва М.Б. та ін.

Оскільки з умови забезпечення стійкості ін'єкційний матеріал не містить грубодисперсних компонентів (каркасу), має місце схильність до прояву значних деформацій усадки, що значно впливає на показник сумісності за деформаціями ремонтного матеріалу з матеріалом основи. Тому, необхідною є компенсація усадкових деформацій матеріалу за рахунок введення розширюючих додатків. Проблемам виникнення власних деформацій цементних в'яжучих та їх компенсування присвячені роботи Ахвердова І.М., Буднікова П.П., Михайлова В.В., Мчедлова-Петросяна О.П., Скрамтаєва Б.Г., Шейкіна А.Є. та ін.

Аналіз праць та узагальнення експериментальних даних дає змогу запропонувати гіпотезу дослідження: застосування модифікуючого комплексу з оптимальним вмістом компонентів є основою для отримання ремонтного матеріалу у вигляді сухої суміші з властивостями, що забезпечують технологічну ефективність проведення ремонтних робіт та надійність роботи ремонтного матеріалу.

В розділі 2 наведений перелік вихідних матеріалів та їх характеристик, а також, комплекс методик для проведення досліджень та обробки результатів.

Для проведення досліджень в якості основи композиції застосовувались портландцементи ПЦ I-500 Балакліївського та ПЦ II/Б-Ш-400 Криворізького заводів. Застосовувались наступні модифікатори: суперпластифікатор С-3 (СП), пластифікатор лігносульфонатного типу (ЛСТ), прискорювач твердіння-сульфат натрію (СН), редиспергуючий полімер (РДП), активна мінеральна домішка (МК). Для компенсації усадкових деформацій застосовувався розширюючий компонент - суміш глиноземистого цементу (ГЦ) та гіпсу (Г).

В розділі 3 наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень впливу додатків на властивості модифікованих цементних суспензій як дисперсних систем, структурно-механічні та деформативні характеристики композицій.

Ефективність ремонтного матеріалу може бути забезпечена при розгляді системи „ремонтний матеріал - конструкція” та впливу на неї факторів, характерних для всіх стадій життєвого циклу системи.

Для основних характеристик композиції з використанням математичних моделей отримані залежності проникаючої здатності матеріалу від його в'язкості, та величин напружень в ремонтному матеріалі, що виникають при різних значеннях власних деформацій усадки та в залежності від ширини розкриття тріщин (розмірності дефекту). Встановлені допустимі кількісні значення досліджуваних характеристик, що використані в якості умов при подальшому підборі складу суміші. Виходячи з отриманих залежностей, величина ефективної в'язкості розчину в межах 0,04-0,08 Па•с забезпечує достатнє заповнення дефектів конструкції та макроструктури бетону.

Визначення напружень розтягу та зсуву ін'єкційного ремонтного матеріалу в тріщині дає змогу визначити ймовірність розтріскування ремонтного шару чи руйнування зони контакту. Встановлено, що забезпечення надійної роботи матеріалу в тріщинах, шириною розкриття 1 мм і менше можливе тільки при обмеженні усадкових деформацій величиною 0,1-0,15 % і менше, при умові формування достатніх значень міцності.

Досліджувався вплив водо-твердого відношення (В/Т) та концентрації суперпластифікатора на в'язкість та величину втрати седиментаційної стійкості модифікованих цементних.

Ефективна в'язкість досліджуваних водо-цементних суспензій при значеннях водовмісту, що відповідають граничній водоутримуючій здатності кгр, знаходиться в межах з=0,2...0,35 Па•с. Для забезпечення встановленої вимоги до величини в'язкості розчинів (з=0,04...0,08 Па•с) з вичерпанням ефективності підвищення концентрації суперпластифікатора, необхідним являється збільшення водовмісту (водо-твердого відношення). Що в свою чергу негативно впливає на стійкість суспензій.

Досліджувався вплив розміру часток дисперсної фази (дисперсність цементу) на седиментаційну стійкість та в'язкість суспензій (вміст СП С-3 1 % від маси цементу). Використовувались цементи ПЦ М500 (Sпит=3700 см2/г) та ПЦ М400 (Sпит=2900 см2/г). Для порівняння використовувався домелений в кульовому млині цемент ПЦ М400 з питомою поверхнею Sпит=4500 см2/г. Результати приведені в табл. 1.

Таблиця 1 - Вплив питомої поверхні цементів на характеристикимодифікованих цементних суспензій

Тип цементу	Питома поверхня, см2/г	В'язкість суспензії, Па•с. При В/Ц	Втрата седиментаційної стійкості, %. При В/Ц
		0,35	0,4	0,45	0,35	0,4	0,45
ПЦ М500	3700	0,085	0,037	0,03	2,8	5,1	11,3
ПЦ М400	2900	0,134	0,046	0,032	2,9	5,7	12,43
ПЦ М400 (молотий)	4500	0,063	0,037	0,028	2,7	4,5	9,68

Збільшення питомої поверхні цементу при низьких значеннях В/Ц приводить до зниження в'язкості суспензій, при зростанні В/Ц розбіжність зменшується. В той же час, збільшення питомої поверхні цементу незначно впливає на втрату седиментаційної стійкості.

За отриманими залежностями для подальших досліджень приймався портландцемент ПЦ М500, як більш ефективний матеріал з точки зору технології виробництва суміші (відсутність технологічної операції домелення цементу).

Вирішення задачі отримання стійкої цементної суспензії з низькою в'язкістю можливе при забезпеченні умов для утворення початкової слабко зв'язаної коагуляційної структури. На відміну від агрегативно нестійких систем з ближньою коагуляцією, дисперсні системи, утворені пептизованими частками фази, що взаємодіють між собою слабкими зв'язками дальньої коагуляції, характеризуються відносно незначним рівнем в'язкості. В той же час, такі системи володіють мінімальною величиною міцності структури, що необхідна для забезпечення умови седиментаційної стійкості.

Ефективним фактором стабілізації концентрованих дисперсних систем являється структурно-механічний бар'єр, утворений довголанцюговими неіоногенними ПАР, полімерами чи високодисперсними твердими частками. При дослідженнях застосовувався редиспергуючий полімер вінілацетатної групи (РДП). Поряд з ефективною стабілізацією дисперсної системи збільшення концентрації РДП призводить до значного зростання величини в'язкості суспензії, тому для стабілізації розчинів приймається концентрація РДП 0,1%.

Стабілізаційним ефектом володіють також високодисперсні частки мікрокремнезему (МК), проте флокулююча дія та часткова нейтралізація пластифікуючої дії СП впливає на збільшення в'язкості. Вплив концентрації МК на реологічні властивості суспензій з підвищеним водовмістом (Х>1,65), відмінний від впливу концентрації МК на тісто нормальної густоти (Х=1). Відсутність „області надтекучості” (зменшення кн.г. та водопотреби суміші при вмісті МК до 10%) вимагає обмеження концентрації МК в суміші.

В процесі формування структури в цементно-водній системі з моменту замішування в'яжучого водою, відбувається поступова зміна характеру зв'язків між частками дисперсної фази, що обумовлюють „життєздатність” матеріалу. Характеристикою „життєздатності” прийняте збільшення величини в'язкості в % протягом 30 хв (термін, достатній для здійснення технологічних операцій ін'єктування).

Визначався вплив додатків-модифікаторів на величину збільшення в'язкості суспензій портландцементу, модифікованих суперпластифікатором, протягом 30 хв (початок відліку відразу після перемішування). Представлені на рис. 2 залежності ілюструють проходження індукційного періоду. Введення модифікаторів спричинює зміну інтенсивності взаємодії між частками дисперсної фази та процесів формування коагуляційних структур, що характеризуються різними величинами в'язкості модифікованих суспензій.

З точки зору „життєздатності” ін'єкційних розчинів, найбільший практичний інтерес викликають процеси формування коагуляційних структур модифікованих суспензій при введенні розширюючого додатку. Збільшення вмісту напівводного гіпсу внаслідок введення розширюючого компоненту викликає його інтенсивну гідратацію з швидким насиченням дифузних шарів та зв'язуванням значної кількості води (приєднання іонів Н+ і ОН- та зменшення товщини гідратних оболонок). При досягненні граничної концентрації розчину, розклинююча дія рідкої фази зникає, відбувається трансформація гідратних оболонок в мікрогелеві, що створює умови для безпосередньої взаємодії між іонними утвореннями суміжних структурних елементів.

Зниження інтенсивності протікання процесу формування коагуляційної структури досягається при введенні в склад модифікуючого комплексу додатку ЛСТ, що сильно гальмує гідратацію клінкерних мінералів.

Виходячи з істотного впливу домішки, що вводиться для компенсації усадкових деформацій (ГЦ+Г) на „життєздатність” ін'єкційного розчину, проводився ряд дослідів для визначення впливу співвідношення та вмісту складових на параметри формування коагуляційної структури (рис. 3).

З умови забезпечення „життєздатності” ін'єкційних розчинів найбільш прийнятним є склад комплексного в'яжучого з співвідношенням вмісту цементів ПЦ:ГЦ=90:10, та вмістом гіпсу 5% від суміші цементів. При цьому необхідне введення в склад суміші додатку ЛСТ в кількості 0,2% від маси цементів. Збільшення вмісту ЛСТ є недоцільним, оскільки проявляється його негативний вплив на характеристики міцності.

Склад композиції підбирається з умови забезпечення технологічності матеріалу: вимог до в'язкості, седиментаційної стійкості та „життєздатності”, в той же час, контролюються значення експлуатаційних властивостей. При досягненні нормативного віку (28 діб), для всіх композицій характерний достатньо високий рівень міцності.

Так як одним з показників ефективності ремонтного матеріалу являється швидкий набір міцності, аналізувався вплив додатків-модифікаторів на інтенсивність зміцнення структури матеріалу в початковий період твердіння - 1...3 доби. Введення додатків в композицію (крім СН), призводить до деякого зниження міцності на стиск у віці 1 доба. Застосування прискорювача твердіння - сульфату натрію забезпечує збільшення міцності розчину, модифікованого 1% СП + 1% СН у віці 1 доба на 45% порівняно з модельною системою ПЦ СП1. При досягненні матеріалом віку 3 доби, інтенсивність зміцнення структури для всіх композицій значно зростає і складає, в середньому, близько 60% від значень міцності на стиск у віці 28 діб.

Основним фактором впливу модифікаторів на параметри пористості цементних композицій є перерозподіл величин диференціальної пористості. Введення СП призводить до збільшення кількості макропор та значної неоднорідності пор за розмірами, що спричинене повітревтягненням. Підвищене водопоглинання, викликане збільшенням технологічної пористості при введенні МК, компенсується значним збільшенням частки мікропор.

Утворення високогідратних сполук (ГСАК) на ранній стадії твердіння цементного каменю з додатком СН ущільнює структуру та забезпечує її тонкопористий характер. Додаток РДП також позитивно впливає на пористість.

Модифікатори, що забезпечують технологічність матеріалу, значно впливають на характер та інтенсивність фазових перетворень каменю та формування його структури, що в свою чергу позначається на величині власних деформацій.

Дані, засвідчують, що при відносно малих вологовтратах, для зразків з модулем відкритої для висихання поверхні m=0,125 (використання гідроізоляції) характерний відносно високий рівень усадкових деформацій, що відбувається за рахунок переважання контракційної складової власних деформацій усадки в початковий період найбільш інтенсивного протікання фазових перетворень та твердіння каменю (близько 10 діб), на відміну від цементних бетонів, де усадкові деформації, викликані контракцією, незначні, порівняно з деформаціями від дії осмотичних сил при висиханні.

Порівняно незначне збільшення величини усадкових деформацій зразків m=1,125 при інтенсивному висиханні (порівняно з m=0,125) в цей період, спричинене випаровуванням води з великих пор та капілярів, що не супроводжується виникненням значних зусиль від дії осмотичних сил, здатних викликати обтиснення структури.

При введенні в композицію додатків СП та МК спостерігається зростання величини усадкових деформацій (порівняно з контрольним матеріалом ПЦ), що відбувається за рахунок збільшення ступеня гідратації та вмісту низькоосновних гідросилікатів кальцію CSH (I) при взаємодії цементного в'яжучого з водою. Збільшення в одиниці об'єму каменю вмісту гелю гідросилікатів кальцію, призводить до збільшення кількості адсорбційно-зв'язаної води, що є передумовою для зростання інтенсивності усадкових деформацій при її випаровуванні.

Для компенсування усадкових деформацій модифікованих композицій використовувався розширюючий компонент, що складається з суміші глиноземистого цементу та гіпсу. Визначались залежності власних деформацій для матеріалів з різним вмістом розширюючого компоненту в композиції та різним співвідношенням.

В початковий період твердіння (2-3 доби), навіть при інтенсивному відборі вологи (зразки з модулем відкритої поверхні m=1,125), спостерігається розширення матеріалу. Проте, при подальшому твердінні відбувається наростання усадкових деформацій, зростання величини яких можливе в результаті зменшення інтенсивності утворення етрингіту при зменшенні вмісту води. Додаткове зростання величини усадкових деформацій спричинюється також частковою втратою гідратної води гідроалюмінатами кальцію С3АН12, утвореними при гідратації алюмінатного компоненту, не зв'язаного в гідросульфоалюмінати.

Досить значні величини усадкових деформацій зразків з модулем поверхні m=1,125, для композицій з вмістом розширюючого компоненту можливо спричинюються їх більшою водопотребою. Наявність надлишкової, зв'язаної в різних формах води, при подальшому інтенсивному випаровуванні є причиною зростання величини усадкових деформацій.

При відносно малих вологовтратах, що наближено до умов середовища конструкції (зразки m=0,125), для композицій з вмістом ГЦ 10-20% та гіпсу 5% характерна відносна стабільність об'єму, хоч і відбувається зменшення ефекту розширення з можливим проявом незначних деформацій усадки.

Збільшення вмісту гіпсу до 10% призводить до інтенсивного наростання розширення з досягненням величини близько 6-7%, що є недопустимим для ремонтного матеріалу, оскільки виникає небезпека руйнування як самого матеріалу, так і матеріалу конструкції.

Отримані залежності ілюструють, що для композиції з вмістом глиноземистого цементу 10% та 5% гіпсу характерні незначні величини усадки при низьких вологовтратах та розширення в воді, що набуває особливої ваги в випадках, коли контакт ремонтного матеріалу з водним середовищем носить періодичний характер.

В розділі 4 наведені результати планованого експерименту, що проводився для оптимізації складу суміші. Проведений аналіз сумісного впливу складових комплексного модифікатора на властивості розчинів.

На основі результатів попередніх досліджень стабілізувались значення окремих факторів: вміст ЛСТ 0,2%, вміст РДП 0,1% від маси в'яжучого. Склад розширюючого додатку ПЦ90:ГЦ10 Г5 в суміші в'яжучих.

В якості змінних факторів прийняті наступні:

концентрація суперпластифікатору (СП).

вміст мікрокремнезему (МК);

концентрація прискорювача твердіння - сульфату натрію (СН).

Характер впливу сумісної дії додатків на характеристики композицій (прояв явища синергізму-антагонізму) оцінювався за допомогою критерію синергетичної активності ks, що встановлювався наступним чином. Визначались прирости величини досліджуваної характеристики (ДY), як відношення величин відгуків пунктів плану при зміні концентрації додатків (YХ) порівняно з відгуками для еталонної суміші при Хі = -1 (YЕ)

. (1)

Показник адитивного впливу kad визначався як сума приростів величин характеристики при впливі на систему окремих додатків

. (2)

Критерій синергетичної активності

, (3)

де kf - фактичний приріст величини досліджуваної характеристики при сумісному впливі факторів на систему.

Синергетична дія факторів МК та СН на зростання в'язкості суспензій обумовлюється їх впливом на параметри подвійних електричних шарів (ПЕШ), утворених додатком СП. Зменшення сольватації часток в'яжучого молекулами СП приводить до збільшення інтенсивності процесу перебудови ПЕШ в присутності електроліту СН. Зменшення ж-потенціалу та стиснення ПЕШ приводить до зростання сил взаємодії між частками і зростання в'язкості. Вплив факторів МК та СН на відносне зростання в'язкості посилюється при зменшенні концентрації СП, в той час як при збільшенні концентрації СП зростає значення критерію синергетичної активності їхнього впливу (ks=0,15 при СП=-1 і ks=0,36 при СП=+1).

Cинергетичний характер впливу суміші додатків на зростання в'язкості в початковий період (при t=10 хв) проявляється в більшій мірі - ks=1,35, ніж при t=30 хв - ks=0,38. Такий ефект може пояснюватись протіканням основного об'єму адсорбційних процесів із зв'язуванням СП в початковий період.

На зростання втрати седиментаційної стійкості значний вплив має концентрація СП, в залежності від величини якої зростає вплив концентрації електроліту-сульфату натрію.

Вплив сумісної дії факторів МК та СН на міцність каменю зростає із збільшенням терміну твердіння, в той же час, коефіцієнт синергетичної активності факторів, рівний ks=0,28 у віці 1 доба, зменшується до значення ks=0,06 у віці трьох діб. ін'єкційний ремонтний матеріал конструкція

За результатами планованого експерименту проводилась оптимізація складу суміші, умовою якої являлась мінімізація цільової функції - залежності величини в'язкості від рівнів варійованих факторів. В якості обмежень прийняті залежності інших властивостей при забезпеченні їх допустимих значень. В результаті розрахунку отримані оптимальні рівні варійованих факторів та кінцевий склад сухої.

Таблиця 2 - Кінцевий склад сухої суміші

№ пп	Компонент	Вміст, %	Примітка
1	Портландцемент, М500	90	Склад в'яжучого 90:10
2	Глиноземистий цемент, ГЦ-50	10
3	Гіпс будівельний, Г-4	5	від маси в'яжучого
4	Суперпластифікатор С-3 (СП)	1,6	від маси в'яжучого
5	Мікрокремнезем (МК)	3	від маси в'яжучого
6	Сульфат натрію (СН)	0,5	від маси в'яжучого
7	Редиспергуючий полімер „Vinnapas R1 551 Z” (РДП)	0,1	від маси в'яжучого
8	Пластифікатор лігносульфонатного типу (ЛСТ)	0,2	від маси в'яжучого

Таблиця 3 - Значення характеристик отриманої композиції

№ пп	Характеристика	Позначення	Величина
1	В'язкість суспензії, Па•с	з	0,05
2	Втрата седиментаційної стійкості, %	ksed	2,04
3	Відносне зростання величини в'язкості (%), при t=10 хв	Дз10	35,9
4	Відносне зростання величини в'язкості (%), при t=30 хв	Дз30	73
5	Міцність зразків на стиск (МПа) у віці 1 доба	Rc1	8,7
6	Міцність зразків на стиск (МПа) у віці 3 доби	Rc3	30,4
7	Міцність зразків на стиск (МПа) у віці 28 діб	Rc28	50,7
8	Міцність зразків на згин (МПа) у віці 1 доба	Rt1	2,62
9	Міцність зразків на згин (МПа) у віці 28 діб	Rt28	5,5
10	Усадкові деформації каменю у віці 56 діб	еsh	0,12

В розділі 5 приводяться основні параметри технології виробництва та застосування високорухомих розчинів при ін'єкційних методах ремонту. Наведено приклади застосування розробленої композиції при проведенні ремонту та відновлення несучої здатності конструкцій.

Проведено розрахунок економічної ефективності розробленої композиції. В якості показника прийнята вартість матеріалу порівняно з вартістю закордонних аналогів.

При застосуванні розробленої ін'єкційної ремонтної суміші економічний ефект складає 2150 грн/т при порівнянні з вартістю імпортного матеріалу (матеріалу для відновлення колекторів за системою тролайнінг), ввезеного в Україну.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації наведене теоретичне узагальнення основних положень та виявлених закономірностей отримання цементних систем з заданими властивостями шляхом їх модифікування, на основі яких вирішено наукову задачу розробки ефективної модифікованої композиції на основі цементних в'яжучих у вигляді сухої суміші для відновлення залізобетонних конструкцій методом ін'єктування.

2. Визначено вимоги до властивостей ремонтних ін'єкційних розчинів, технологічних - в'язкість, седиментаційна стійкість, життєздатність; експлуатаційних - міцнісні характеристики та об'ємна стабільність (безусадковість), виконання яких забезпечує надійність роботи ремонтної системи на всіх стадіях життєвого циклу. Для основних властивостей з використанням математичних моделей встановлено допустимі кількісні значення величини в'язкості з=0,04-0,06 Па•с та величини власних деформацій усадки еsh=0,1-0,15 %, використані в якості умов при підборі складу суміші.

3. Забезпечення встановленої вимоги до величини в'язкості розчинів (з=0,04...0,08 Па•с) вимагає підвищення концентрації суперпластифікатора в межах 1-2 %, з вичерпанням ефективності якого необхідним являється збільшення водовмісту (водо-твердого відношення) до 0,4, що значно перевищує величину граничної водоутримуючої здатності, яка для концентрацій СП=1,5-2 % складає кгр=0,29-0,28. Як наслідок, спостерігається наявність інтенсивних седиментаційних процесів, компенсація яких можлива за рахунок додаткової стабілізації суспензії з утворенням початкової слабко зв'язаної коагуляційної структури.

4. Отримана залежність зміни в'язкості суспензії в'яжучого з додатком прискорювача твердіння сульфату натрію (СН) протягом 30 хв ілюструє, що в даний період поведінка коагуляційної системи залежить в основному від потенціалу взаємодії між частками (сил притягання та відштовхування) і впливу на нього СН як електроліту. Протікання реакцій гідратації цементу в цей період незначно впливає на в'язкість системи.

5. Введення розширюючого компоненту (ГЦ+Г) значно прискорює зростання в'язкості суспензій. Зниження інтенсивності протікання процесу формування коагуляційної структури для терміну 30 хв досягається при введенні в склад модифікуючого комплексу додатку ЛСТ до 0,2%. З умови забезпечення „життєздатності” найбільш прийнятним є склад комплексного в'яжучого з співвідношенням вмісту цементів ПЦ:ГЦ=90:10, та вмістом гіпсу 5% від суміші цементів.

6. Збільшення вмісту ультрадисперсного мікрокремнезему призводить до зростання в'язкості суспензій з підвищеним відносним водовмістом (Х=В/Ц:кн.г.>1,65), в той час як для тіста нормальної густоти (Х=1) характерна „область надтекучості” - зменшення кн.г. та водопотреби суміші при концентрації МК в межах 5-10%.

7. Модифікатори, що забезпечують технологічність матеріалу, значно впливають на характер та інтенсивність фазових перетворень каменю та формування його структури, що в свою чергу позначається на величині власних лінійних деформацій усадки як при інтенсивних вологовтратах (40-45 %) еsh=0,5-0,7 %, та і при відносно незначних (близько 10 %) еsh=0,3-0,4 %.

Компенсація усадкових деформацій здійснювалась шляхом введення в склад композиції розширюючого додатку: глиноземистий цемент 10% та 5% гіпсу. Композиція характеризується незначною величиною усадки при низьких вологовтратах (еsh близько 0,1 %) та розширення в воді (е=0,25 %), тобто відносною стабільністю об'єму.

8. За результатами експериментальних досліджень проведено аналіз сумісного впливу модифікаторів: суперпластифікатора (СП), мікрокремнезему (МК), прискорювача твердіння (СН), лігносульфонату (ЛСТ), редиспергуючого полімеру (РДП) та складових розширюючого компоненту: глиноземистого цементу (ГЦ) та гіпсу (Г) на властивості ін'єкційних композицій.

9. Сформовано комплекс спеціальних методик для оцінки технологічних властивостей розчинів з використанням віскозимерів ротаційного та гравітаційного типу для оцінки величин в'язкості та життєздатності, що оцінюється зростанням величини в'язкості протягом 30 хв, а також, приладу для визначення показника втрати седиментаційної стійкості гравіметричним методом.

10. Виконано впровадження та техніко-економічне обґрунтування застосування розробленого ін'єкційного розчину для ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій. Розроблений матеріал застосовувався для відновлення конструкцій будівель в м. Дніпропетровську, несучих конструкцій зернового елеватора в с. Трояни Запорізької обл, для відновлення ділянки залізобетонного колектору в м. Сімферополь.

Економічний ефект при застосуванні розробленої ін'єкційної ремонтної суміші складає 2150 грн/т порівняно з вартістю імпортного матеріалу (матеріалу для відновлення колекторів за системою тролайнінг), ввезеного в Україну.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ ПРАЦЯХ

1. Применение отечественных материалов и технологий ремонта трубопроводов инженерных сетей / Пшинько А.Н., Савицкий Н.В., Крекнина Е.А., Зинкевич А.Н. // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение., Вып. №11. - Дн-ск: ПГАСиА, 2000. С 52-56.

2. Разработка технических требований и составов инъекционных растворов / Савицкий Н.В., Пшинько А.Н., Крекнина Е.А., Зинкевич А.Н., Савицкий А.Н., Шипко Г.Л. // Сб. научн. тр. Строительство, Материаловедение, Машиностроение; Вып. №14. - Дн-ск: ПГАСиА, 2001.-С.121-124.

3. Методология и практика разработки систем для ремонта железобетонных конструкций / Пшинько А.Н., Савицкий Н.В., Зинкевич А.Н., Савицкий А.Н., Чернец В.А. // Сб. тр. БелГТАСМ. Ч.1. - Белгород 2002. - с. 179-184.

4. Зінкевич А.М., Пшінько О.М., Савицький М.В. Вплив вологовтрат ремонтного матеріалу на його деформаційну сумісність з матеріалом конструкції // Сб.науч.тр.: Строительство, Материаловедение, Машиностроение; Вып. №21. - Дн-ск: ПГАСиА, 2002.-С.97-102.

5. Dry building mixes for repair of concrete and masonry structures / Savitsky N.V., Pshinko A.N., Tytuk A.A., Zinkevych A.N., Chernets V.A. // Проектирование долговечности и механика разрушения железобетонных конструкций. - Минск. 2003. - с. 293-297.

6. Пшинько А.Н., Савицкий Н.В., Зинкевич А.Н. Инъекционный материал для ремонта железобетонных конструкций транспортных сооружений // Сб.науч.тр.: Строительство, Материаловедение, Машиностроение; Вып. №23. - Дн-ск: ПГАСиА, 2003. с. 122-125.

7. Пшинько А.Н., Савицкий Н.В., Зинкевич А.Н. Оценка монолитности системы “ремонтный материал-конструкция” при инъекционном методе ремонта // Сб.науч.тр.: Строительство, Материаловедение, Машиностроение; Вып. №25. - Дн-ск: ПГАСиА, 2003. с. 35-39.

8. Пшінько О.М., Зінкевич А.М. Савицький М.В. Високорухомі суміші для ремонту залізобетонних конструкцій // Строительные материалы и изделия. -2003. - №6.-с. 17-19.

9. Диагностика и разработка технических предложений по ремонту транспортного тоннеля / Савицкий Н.В., Русинов А.В., Пшинько А.Н., Савицкий А.Н., Зинкевич А.Н., Момот В.А., Чернец В.А. // Строительные материалы и изделия. - 2003. - №5. - с. 10-13.

10. Пшінько О.М., Зінкевич А.М., Савицький М.В. Високоефективні суміші для ремонту залізобетонних конструкцій // Зб. наук. праць. Будівельні конструкції. Вип. 59. Кн. 1. Київ. НДІБК. 2003. - с. 425-430.

АНОТАЦІЯ

Зінкевич А.М. Модифіковані цементні композиції для ремонту залізобетонних конструкцій методом ін'єктування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05. Будівельні матеріали та вироби. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2003.

Розроблено високорухому модифіковану композицію на основі цементних в'яжучих для ін'єкційних методів ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій, що характеризується високими експлуатаційними властивостями та технологічними характеристиками. Ремонтна композиція виготовляється в вигляді сухої суміші.

Сформовано комплекс вимог до властивостей ін'єкційного ремонтного матеріалу, для основних визначені кількісні величини, що забезпечують надійну роботу системи „ремонтний матеріал-конструкція”.

Досліджено залежності зміни характеристик композицій від концентрацій складових комплексу модифікаторів, на основі яких проведено оптимізацію складу.

Розроблена ремонтна композиція впроваджена при відновленні конструкцій на ряді об'єктів.

Ключові слова: ремонтні матеріали, ін'єкційні розчини, модифіковані цементні композиції, реологічні властивості, в'язкість, седиментаційна стійкість, життєздатність, усадковість.

Зинкевич А.Н. Модифицированные цементные композиции для ремонта железобетонных конструкций методом инъектирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05. Строительные материалы и изделия. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2003.

Разработана высокоподвижная модифицированная композиция на основе цементных вяжущих для инъекционных методов ремонта и восстановления железобетонных конструкций, характеризируемая высокими эксплуатационными свойствами и технологическими характеристиками. Ремонтная композиция изготавливается в виде сухой смеси.

Сформирован комплекс требований к свойствам инъекционного ремонтного материала. Показателями эффективности являются низкая вязкость и седиментационная устойчивость раствора, достаточная жизнеспособность, интенсивное нарастание прочности, незначительные собственные деформации.

Исследованы зависимости изменения характеристик композиции от концентраций составляющих комплекса модификаторов, на основании которых проведена оптимизация состава.

Для обеспечения требуемой вязкости растворов (з=0,04...0,06 Па•с) необходимо повышение концентрации суперпластификатора в пределах 1-2 %, с исчерпанием эффективности которого необходимо увеличение водосодержания (водо-твердого отношения) до 0,4, что значительно превышает величину предельной водоудерживающей способности, составляющей для концентрации СП=1,5-2 % - кгр=0,29-0,28. Как следствие, наблюдается наличие интенсивных седиментационных процессов, компенсация которых возможна за счет дополнительной стабилизации суспензий с образованием начальной слабо связанной коагуляционной структуры.

Исследовалось повышение устойчивости суспензий за счет применения в них высокомолекулярных веществ, к которым относятся редиспергирующие порошки поливинилацетатной группы (РДП). Вместе с эффективной стабилизацией дисперсной системы, увеличение концентрации РДП приводит к значительному возрастанию величины вязкости. Исходя из этого, для стабилизации растворов принимается концентрация РДП 0,1%.

Влияние концентрации добавки микрокремнезема на реологические свойства суспензий с увеличенным водосодержанием (Х>1,65), отличается от влияния концентрации МК на нормальную густоту теста (Х=1). Отсутствие „области сверхтекучести”, т.е. уменьшения кн.г. и требуемого количества воды для получения изовязких растворов при содержании МК до 10%, требует ограничения содержания концентрации МК в инъекционном растворе.

Исходя из существенного влияния добавки, вводимой для компенсации усадочных деформаций (глиноземистый цемент+гипс) на „жизнеспособность” инъекционного раствора, определялось влияние соотношения и содержания составляющих на формирование коагуляционной структуры, в том числе эффективность добавки ЛСТ, как замедлителя схватывания. Из условия обеспечения „жизнеспособности” инъекционных растворов принят состав комплексного вяжущего с соотношением содержания цементов ПЦ:ГЦ=90:10 и содержанием гипса 5% от массы смеси цементов. При этом необходимо введение в состав смеси добавки ЛСТ в количестве 0,2% от массы цементов.

Проявление излишних собственных деформаций усадки негативно влияет на эффективность совместной работы ремонтного материала с материалом основы.

При относительно малых влагопотерях образцы материала характеризуются относительно значительными усадочными деформациями вследствие преобладания контракционной составляющей собственных деформаций усадки в начальный период наиболее интенсивного протекания фазовых переходов и твердения композиции (около 10 суток), в отличие от цементных бетонов, где усадочные деформации, вызванные контракцией незначительные, сравнительно с деформациями от действия осмотических сил при высыхании.

При введении в композицию добавок СП и МК наблюдалось возрастание величины усадочных деформаций (сравительно с контрольным материалом ПЦ), что происходило за счет увеличения степени гидратации и содержания низкоосновных гидросиликатов кальция CSH (I), при увеличении количества адсорбционно связанной воды, что является предусловием для возрастания интенсивности усадочных деформаций при ее испарении.

Исследовано влияние добавок на усадочные деформации композиции. Для композиций с содержанием глиноземистого цемента 10% и 5% гипса характерны незначительные величины усадки при низких влагопотерях и розширения в воде, что особенно важно в случаях, когда контакт ремонтного материала с водной средой носит периодический характер.

Разработанная ремонтная композиция внедрена при проведении усиления конструкций колонн зернового элеватора с. Трояны, Запорожской обл., при восстановлении несущей способности каменной кладки стен дома в г. Днепропетровске и на ряде других объектов.

Ключевые слова: ремонтные материалы, инъекционные растворы, модифицированные цементные композиции, реологические свойства, вязкость, седиментационная устойчивость, жизнеспособность, усадочность.

Zinkevych A.M. Modified cement compositions for reinforced-concrete structures' repair by an injection. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree - candidate of engineering science on a speciality 05.23.05 - Building materials and products. - Prydniprovs'k State Academy of Civil Engineering and Architecture. Dnipropetrovs'k, 2003.

The high-flowing modified cement composition for reinforced-concrete structures' repair by an injection with high service properties and technical characteristics is developed. The repair composition is produced as dry mix.

The complex of properties' requests of a repair material are formed, for main of them the quantitative values ensuring reliable operation of system “repair material - construction” are determined.

The dependences of a composition performances change from modifiers concentrations are explored, on the basis of which the optimization of composition is conducted.

The developed repair composition was used for some objects' constructions restitution.

Key words: repair materials, injection grout, modified cement composition, viscosity, sedimentation stability, shrinkage.

Підписано до друку 26.02.2004. Формат 69х84 1/16. Папір для множних апаратів.

Друк ризограф. Умовн. друк. арк. 0,83. Обл.-вид. арк. 0,88. Тираж 100 прим.

Замовлення № Свідоцтво ДК №1315 від 31.03.2003 р.

Видавництво Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені акад. В. Лазаряна

Адреса видавництва та дільниці оперативної поліграфії:

49010, м. Дніпропетровськ, вул. Акад. Лазаряна, 2.

Размещено на Allbest.ru