Міністерство освіти і науки України

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

Гасанов Аліяр Баларза Огли

УДК 626.862: 666.973

КЕРАМЗИТОБЕТОННІ ДРЕНАЖНІ ТРУБИ

ПІДВИЩЕНОЇ МІЦНОСТІ

Спеціальність 05.23.05- будівельні матеріали і вироби.

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2002

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано - в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерства освіти та науки України на кафедрі “Будівельні матеріали та вироби”.

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор Вандоловський Олександр Георгійович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри інженерної геодезії

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Ольгінський Олександр Георгійович, Харківський гуманітарний інститут “Народна Українська академія”, завідуючий кафедрою екології;

Кандидат технічних наук, Бабиченко Віктор Якович УДНДІ "УкрВОДГЕО", директор, Державний комітет будівництва, архітектури та житлової політики України, Український державний науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут водопостачання, водовідведення, гідротехнічних споруд, інженерної гідрогеології та екології “УкрВОДГЕО”

Провідна установа: Харківська державна академія залізничного транспорту

Захист відбудеться 26 лютого 2002 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: м. Харків, 61002, вул. Сумська, 40.

3 дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (ХДТУБА) за адресою: м. Харків, 61002, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий “ 25 ” січня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 64.056.04

кандидат технічних наук, доцент М.Г. Ємельяненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми обумовлена значними площами територій України, у яких спостерігається підняття рівня ґрунтових вод, зв'язаних з порушенням природного руху водяних потоків при будівництві транспортних і теплових комунікацій і систем водовідведення, що вимагає спорудження дренажних мереж загальною довжиною більш 400 тис. кілометрів. Одним з ефективних способів боротьби з підтопленням є будівництво горизонтальних трубчастих дренажних систем із глибиною закладення до 4 м. Зазначене визначає велику актуальність використання для цілей дренажу бетонних труб, що мають, крім високої фільтраційної здатності, підвищену міцність при розтягу. У зв'язку з цим, для вирішення поставленої задачі актуальним є використання в дренажних мережах керамзитобетонних дренажних труб, виготовлених методом осьового пошарового пресування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах держбюджетної тематики кафедри будівельних матеріалів і виробів ХДТУБА на 1995-2000 р. "Дослідження штучних будівельних конгломератів з метою оптимізації їх властивостей", затвердженої Міносвіти і науки України (протокол №11 від 01.12.1994р.).

Метою досліджень є підвищення міцності керамзитобетонних трубофільтрів до рівня, що забезпечує можливість їхнього використання в горизонтальних заглиблених дренажних системах у міському і промисловому будівництві, а також створення пористої структури стінок фільтрів, що забезпечує водопропускну здатність без кольматації пор навколишнім матеріалом обсипання.

Для досягнення мети поставлені такі задачі:

- дослідження проникності пористого керамзитобетону, установлення залежності проникності від складу бетону та технології ущільнення бетонної суміші, наукове обґрунтування необхідних показників пористої структури,

- визначення основних показників матеріалу трубофільтрів, що забезпечують довгострокову експлуатацію,

- удосконалювання методики дослідження проникності пористих тіл,

- обґрунтування та вибір технологічних прийомів, що підвищують міцність керамзитобетону при розтягу,

- оптимізація складів і технологічних режимів виробництва для одержання трубофільтрів підвищеної міцності за рахунок застосування мінеральних і хімічних добавок,

- виготовлення дослідно-промислової партії виробів і дослідження їхньої якості. Розробка типорозмірів промислових зразків керамзитобетонних трубофільтрів підвищеної міцності та розрахунок техніко-економічної ефективності їхнього застосування.

Об'єкт дослідження – технологічний процес одержання керамзитобетону з високими експлуатаційними характеристиками.

Предмет дослідження - дренажна труба з пористого фільтруючого керамзитобетону з підвищеною міцністю при розтягу.

Методи дослідження – використана методологія системного аналізу; прийнятий метод ітерацій у 2-х рівнях; міцність при розтягу визначена розрахунком по граничному рівнорозподіленому лінійному навантаженню, прикладеному по утворюючій на зразки - пустотілі циліндри. Водопроникність визначена з застосуванням оригінальної методики, що включає дегазацію (вакуумування) фільтрівної рідини. Структурні характеристики цементного каменю і зони контакту вивчені з залученням петрографічного методу та рентгенографічного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Установлено вплив вакуумування керамзитобетонної суміші в процесі її гомогенізації на збільшення міцності зчеплення керамзитового заповнювача з цементним каменем і підвищення міцності бетону при розтягу (Rbt) до 2,4...2,6 МПа при формуванні дренажних труб методом осьового пошарового пресування.

2. Встановлено оптимальна гранулометрія керамзитового заповнювача, що дозволяє одержувати дрібнопористую структуру керамзитобетону, зв'язану кореляційною залежністю з діаметром часток ґрунтового обсипання.

3. Установлено, що введення до складу керамзитобетону комплексної добавки у вигляді ПАР (ЛСТ) + прискорювача (СаСl2) з одночасним вакуумуванням заповнювача забезпечує підвищену швидкість гідратації в'язкого.

4. Розроблено нову методику та прилад для визначення фільтраційної здатності пористих матеріалів, у яких виключене виділення пухирців повітря, розчиненого в рідині, кольматуючих пори, що забезпечило підвищення точності виміру коефіцієнта фільтрації через стінки трубофільтру.

5. Розроблено фізичну модель процесу адгезійної взаємодії між пористим заповнювачем і цементним каменем, відповідно до якого встановлені технологічні параметри, що забезпечують формування міцної зони контакту між заповнювачем і цементним каменем за рахунок розрідження в зернах заповнювача до перемішування та підняття тиску в змішувачі після того, як зерна покриваються цементним тістом.

Достовірність визначається використанням стандартних припущень та підтверджується збігом теоретичних та експериментальних досліджень при відхилені фактичних та розрахункових даних не більш 20%

Практичне значення отриманих результатів. Прикладне значення роботи складається в розробці керамзитобетонних трубофільтрів підвищеної міцності, придатних для будівництва горизонтального дренажу в промисловому та цивільному будівництві з заглибленням у ґрунт до 4-х м.

Встановлено ряд типорозмірів промислових зразків трубофільтрів діаметром 100...500 мм.

Розроблені “Тимчасові вказівки” з випуску дослідної партії полегшених керамзитобетонних трубофільтрів зі стінками, що мають підвищену міцність при розтягу, що дозволяють при їхньому укладанні в дренажні мережі глибиною до 4-х метрів, використовувати для обсипання місцеві рядові піски.

Реалізація роботи. Виготовлено досвідчену партію виробів, що застосовані будівельною фірмою “Скала” при спорудженні дренажу з одержанням економічного ефекту 33840 грн./км.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримані здобувачем самостійно: збір й аналіз літературних джерел, розробка методик досліджень, проведення експериментальних досліджень, їхній аналіз та узагальнення результатів, впровадження результатів досліджень у виробництво. Особистий внесок в публікаціях, створених у співавторстві, приведений після списку опублікованих робіт на стор. 16.

Апробація роботи. Основні результати досліджень були повідомлені на 56-ий науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в 2000 р., на Міжнародній науково-практичній конференції “Економічні проблеми виробництва й споживання екологічно чистої продукції АПК (ЕП 99)” м. Суми, 1999 р., і на 56-а науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в 2001 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих праць, з них 8 у наукових збірниках, що входять у перелік ВАК.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із введення, 5-и розділів, висновків і додатків, містить 159 сторінок машинописного тексту, 43 рисунків, 35 таблиць, список використаної літератури з 153 найменувань вітчизняних і зарубіжних авторів.

СТИСЛИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкриті сутність і стан наукової проблеми, її значення, приведені передумови та вихідні дані для рішення поставленої проблеми, обґрунтована необхідність виконання досліджень, дана загальна характеристика дисертації.

У першому розділі виконаний аналітичний розгляд результатів досліджень, присвячених технології дренажних труб (трубофільтрів) з бетону на різних заповнювачах. Дослідженнями властивостей труб і розробкою технології керамзитобетонних трубофільтрів займалися Г.А.Низовкін, В.Ф.Ландер, Б.В.Ляпідевський, Б.М.Дегтярьов, И.В.Корінченко, В.А.Восконян, И.Я.Лейченко, Р.А.Щеканенко, С.И.Сторожук, В.А.Невський, С.Н.Шинкарьов. Розроблені трубофильтри мають водопроникність, що характеризується коефіцієнтом фільтрації Кф = 200-1500 м/доб (у середньому 400 м/доб), що на кілька порядків перевершує проникність дренажних ґрунтів (В.Ф.Ландер). Міцність керамзитобетону в отриманих виробах Rb = 5,0 МПа, Rbt = 0,64 МПа. Оптимальний склад 1 м3 керамзитобетону: Ц = 198 кг, керамзит – 677 кг, В -125л.

Удосконаленню технології трубофільтрів на щільних заповнювачах присвячені роботи В.І.Бабушкіна, О.Г.Вандоловського, П.А.Носача, Д.П.Колесникова, А.Г.Тер-Карапетяна, В.Р.Булдей, Г.М.Джафарова, А.Д.Осипова, И.С.Ронжина, М.С.Ніколдишева, Г.М.Басс, Н.П.Заволока, А.К.Челишева. Аналіз показує, що технологічний процес одержання високоякісних пористих матеріалів повинний базуватися на інтенсивному методі ущільнення, і найкращі результати для бетону на щільних заповнювачах отримані при ущільненні бетонної суміші осьовим пошаровим пресуванням. Застосування легкого заповнювача (керамзит) вимагає нових технологічних рішень.

Дослідження властивостей і технології легкого бетону проводили Г.А.Бужевич, В.Г. Довжик, Л.П. Орентліхер, Ю.І. Орловський, Г.І. Горчаков, В.А.Дорф, Р.К.Житкевич, Л.А Кайсер, И.А.Іванов, Ю.Е.Корнилович, М.Г.Вержбицька, Ю.Д.Нациєвський, А.Б.Пірадов, Н.Р.Чермянін, В.Н.Вировой, А.Л.Кучеренко, В.І.Скиба, А.І.Ваганов. Основним методом ущільнення є вібрування. У роботах А.А.Фуражева, Л.А.Полонського, В.В.Судакова досліджена можливість ущільнення керамзитобетонної суміші вакуумуванням, встановлена застосовність основних положень теорії вакуумущільнення, розроблених для бетонів на щільних заповнювачах І.Н.Ахвердовим, Н.А.Сторожуком, К.В.Чаусом, О.А.Блещиком, Г.Д.Дібровим, А.І.Конопленко, М.З.Симоновим. Міцність контактної зони, як багатошарового елемента, розглянув Е.Р.Пінус. Стосовно до заповнювачів з пористою структурою контактна зона розглянута й вивчена в роботах О.П.Мчедлова-Петросяна й О.Г.Ольгінського. У технології керамзитобетонних трубофільтрів оптимізація складу бетону проводилася за міцностю при стиску (Rb), що залежить від міцності розчинної частини й у цілому підкоряється відомій залежності Rb = f( Ц/B ). У середньому Rb = 5-10 МПа. У виготовлених вібропресуванням трубофільтрах досягнута міцність Rb= 7 МПа, що забезпечує контрольне навантаження на вироби 2000 кг/п.м. Трубофільтри на щільних заповнювачах показують міцність 7000-8000 кг/п.м. Низька міцність керамзитобетонних трубофільтрів звужує область їхнього застосування та задачею досліджень з удосконалювання технології їхнього виробництва є вишукування технічних рішень, що забезпечують підвищення міцності дренажних труб. Як робочу гіпотезу висунуто допущення можливості підвищення міцності керамзитобетону шляхом спрямованого формування зміцненої зони контакту.

В другому розділі представлена характеристика матеріалів і методів досліджень, що виконували за допомогою стандартної й оригінальної методик. Програму досліджень розробили на основі методології системного аналізу; прийнятий метод ітерацій з оптимізацією рішень у двох рівнях:

1 рівень – коефіцієнт ефективності у виді коефіцієнта фільтрації – Кф,

2 рівень – коефіцієнт ефективності у виді границі міцності при розтягу – Rbt .

Для визначення міцності використані стандартні, а також зразки у виді пустотілих циліндрів: dв =100 мм, dн =135 мм, з =17,5 мм, l=100-200 мм.

Зразки-циліндри формували методом осьового пошарового пресування. Визначення міцносних характеристик (Rbt) робили розрахунком по граничному навантаженню на зразки-циліндри (ДСТ 20054).

Вакуумування бетонної суміші проводили вакуум-агрегатом СО-177. Водопроникність зразків (Кф) визначали за допомогою розробленого пристрою з додатковим вакуумуванням рідини з метою ліквідації пухирців газу (повітря), що виділяється з води при наявності градієнтів температури й тиску.

Характер, величину та кількість пор визначали петрографічним методом за допомогою поляризаційного мікроскопа МІН-10, за методикою В.І. Корінченко. Структуру бетону після руйнування зразка фіксували за допомогою фотомікроприставки при 5-ти кратному збільшенні.

Фазовий склад продуктів гідратації вивчали за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-0,5 шляхом порівняльного аналізу міжплощинних відстаней d. Результати досліджень оброблені методами математичної статистики.

У третьому розділі приведене теоретичне обґрунтування одержання керамзитобетонних трубофільтрів з підвищеною міцністю й оптимальною водопроникністю. Структура бетону у фільтрах характеризується відсутністю дрібного заповнювача та наявністю великої кількості пор, що приводить до зниження міцності бетону. У відомих трубофільтрах підвищена пористість автоматично приводить до зниження міцності, у зв'язку з чим першочерговою задачею є встановлення області необхідних показників проникності в єдиній системі виміру. У різних нормативних документах і літературних джерелах проникність трубофільтрів приводиться в різних одиницях виміру (м/с, м/хв, см/с, м/добу, м/труб. та ін.).

Для порівняльного аналізу проникності зроблений перерахунок опублікованих даних у єдиний показник - коефіцієнт фільтрації (Кф). Отримані значення розподілені в три групи:

1) 25<Кф<86; 2) 302<Кф<750; 3) 1123<Кф<1460 м/доб в інтервалі

25<Кф<1460 м/доб

Трубофільтр оточений обсипанням з піску, що служить проміжним фільтром між трубою і ґрунтом. Діаметр отворів у фільтрі (А.І.Мурашко ) повинний відповідати діаметру часток, що оточують фільтр dсв,

dф =1,8 = dсв (1)

Для усіх видів піску діаметр пор у трубофільтрі dф повинний лежати в інтервалі 0,2<dф<0,9 мм, яким відповідають величини Кф = 90; 25 і 5 м/доб. Оскільки великих пісків практично немає, у будівництві використовують дрібні та середні піски, тому трубофільтри повинні відповідати цим піскам і, отже,

125<Кф<25 м/доб.

Відповідно до прийнятої методології системного аналізу обраний діапазон значень Кф є областю оптимальних величин по першому рівню.

На другому рівні задачею оптимізації є досягнення максимальної міцності пористих труб для їхнього укладання в дренажі у міському та промисловому будівництві (до 4-х метрів). Несуча здатність труб характеризується величиною рівнорозподільного навантаження РК , прикладеного до утворюючої труби, під дією якої в стінках трубофільтра виникають моменти, що досягають максимального значення в лотку та замку:

М= 0.318Р (2)

Під дією розтягуючих напруг руйнування труби відбувається при ур>Rbt

уmax = (3)

де r - середній радіус труби; l - довжина труби; с - товщина стінки.

Таким чином, призначення та контроль міцності керамзитобетону повинний бути зроблений за його міцностю при розтягу. Дані про дослідження міцності керамзитобетону при розтягу в опублікованих матеріалах обмежені. У поставленій задачі підвищення міцності трубофільтрів (другий рівень оптимізації при системному аналізі) коефіцієнтом ефективності є Rbt .

Руйнування пористого керамзитобетону при навантаженнях, що розтягують, може відбуватися в таких його зонах: розчинній частині,по зерну керамзиту, у зоні контакту заповнювача й цементного каменю.

Міцність при стиску Rb цементного каменю та розчину знаходиться в інтервалах 30...50 МПа, відкіля міцність при розтягу Rbt:

Rbt=С (4)

де С =0,375. Тоді Rbt(Ц) =3,75 – 5,00 МПа. Міцність при розтягу керамзиту Rt(К) = 0,85 -1,98 МПа. Отже максимальна міцність керамзитобетону Rbt(К) = 0,9...3,0 МПа. Досягнута В.Ф.Ландером у вібропресованих фільтрах фактична міцність Rbt(К) = 0,6... 0,75 МПа значно нижче теоретично розрахованої. Більш глибоко процеси формування бетону на пористих заповнювачах розглянуті О.Г.Ольгінським, що установив, що зниження міцності керамзитобетону є наслідком ослаблення зони контакту “цементний камінь - заповнювач”, у якій процеси гідратації та твердіння проходять у фізико-хімічних умовах, відмінних від основної маси цементного каменю, й що зерна цементу в цих умовах у значно меншому ступені гідратуються, викликаючи дефекти зони контакту. Методом оптично активних покрить встановлено, що у високоміцному керамзитобетоні тріщини виникають у зоні контакту, передаються керамзиту й потім розчинній складовій. З метою зменшення дефектності та підвищення якості зони контакту в неї вводяться поверхнево-активні речовини шляхом попередньої обробки заповнювача (В.Н.Вировой, О.Г.Ольгінський). Нами розглянута структура контактної зони з використанням даних О.Г.Ольгінського про мікротвердість цементного каменю на різній відстані від поверхні заповнювача. На рис. 1а дана схема контакту, лінійний розмір – l1. З гістограми (рис. 1в) видно, що мікротвердість залежить від товщини контакту (b), і таким чином, за схемою (a) можна зробити висновки, що максимальна міцність буде в центрі контактуючих круглих тіл, а мінімальна - на периферії. Л.И.Дворкін, детально розглянувши питання структуроутворення в зоні контакту, робить висновки про те, що існують оптимальні параметри з гранулометрії, міжзернових відстаней, виду та площі поверхні твердої фази, що забезпечують оптимізацію структури цієї зони.

Рис. 1. Зона контакту в пористому бетоні.

а) однофракційний, б) із уведенням дрібних фракцій, b -товщина шару.

Для посилення зони контакту (збільшення мікротвердості) у периферійну частину контакту необхідно увести тверду фазу. Структура контакту з уведеним мікронаповнювачем дозволяє зменшити товщину контакту з b1, до b2 (рис. 1б) і, згідно рис. 1в, збільшити мікротвердість на 15...20%. Крупність мікронаповнювача (dМК) зв'язана з розміром dЗ зерен заповнювача dМК < 0,1dЗ .

Структура зони контакту впливає на Rbt , і в технології керамзитобетону особливо чуттєвим показником є міцність при розтягу (В.Н.Вировой), яку можна підвищити, використовуючи відкриті пори як простір, що заповнюється цементним каменем.

Розроблена модель процесу насичення капіляра діаметром d, оточеного цементним тестом Ц, представлена на рис. 2:

Рис. 2. Модель процесу заповнення пори твердого тіла грузлою рідиною.

d - діаметр пори, L - довжина, h - глибина заповнення, Рруш -сила, що рухає суспензію, VП - обсяг пор, VЦ - обсяг, заповнений суспензією, Рр - реактивна сила (протитиск).

Суспензія проникає на глибину h під дією рушійної сили Рруш . Повітря, що знаходиться в порах, у міру заповнення капіляра стискується й робить протитиск Рр фронту суспензії, що рухається, причому оскільки PpV = const, у міру просування суспензії всередину зерна керамзиту V - зменшується, а Рр - збільшується.

У прийнятій моделі рівняння балансу діючих сил має вигляд:

Рруш = Рк + Рзовн + Рр (5)

де Рруш - рушійна сила; Рк - капілярні сили (const); Рзовн - зовнішній тиск;

Рр - реактивна сила.

Відповідно до рівняння (5), задача досягнення hmax складається в досягненні Рруш - max . У рівнянні (5) Рк - const, перемінні Рзовн і Рр. Рр зв'язана з Рзовн :

Рр= (6)

З рівняння (6) випливає, що зовнішній надлишковий тиск не забезпечує hmax . Рруш досягає максимуму при Рр = 0. Тоді Рруш = Рк + Рзовн .

Представлена модель і математичне рішення рівнянь (4), (5), (6) дозволяють підійти до рішення технологічної задачі: - Р = 0 при відсутності повітря, тобто може бути отримане технологічно, шляхом вакуумування заповнювача;

-Рруш – max за умови, коли вакуумований заповнювач оточений цементною пастою, а на цю пасту впливає зовнішній тиск Рзовн (рис. 3).

Підвищення експлуатаційних властивостей керамзитобетону можливо шляхом: - спрямованого формування структури зони контакту за рахунок оптимізації товщини прошарку цементного каменю між заповнювачем; - збільшення поверхні контакту між пористим заповнювачем і цементним каменем шляхом двостадійної обробки бетонної суміші в процесі її гомогенізації: вакуумування заповнювача в герметичній камері змішувача; створення надлишкового (атмосферного) тиску, переданого на шар цементної пасти, що оточує гранули заповнювача (рис. 3).

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень показників властивостей пористого бетону, проведених за методологією системного аналізу методом ітерацій. На першому рівні вивчена залежність проникності (Кф) від складу бетону. Змінювані параметри: витрата цементу (Ц), співвідношення заповнювачів різної гранулометрії (di/di+1), реологічна характеристика (ж), пластифікуючі добавки. В експериментах прийняті: Ц=250 кг/м3 і Ж - 60 с. Перемінні фактори: співвідношення заповнювачів різного розміру.

Рис. 3. Двостадійна обробка бетонної суміші на пористих заповнювачах.

1 – зерно заповнювача, 2 – цементний розчин, 3 – патрубок вакуумнасоса.

Вплив гранулометрії заповнювача на Кф вивчено експериментально з використанням повнофакторного експерименту (ПФЕ) 23.

У загальному вигляді залежність має вид:

уi =b0+ b1x1 +b2x2 + b3x3 + b12x1 x2 + b13x1x3 + b23x2x3

Виконані по матриці планування обчислення показали, що рівняння адекватні по всій області плану, усі коефіцієнти bi, (за критерієм Стьюдента) значимі, крім b23 , і в остаточному виді рівняння має вигляд:

уi = 157,88 +136,37x1 + 75,62x2 + 27,87x3 + 62,62x1x2 +19,87x1x3..

Таблиця 1. Умови планування експерименту

Регресійний аналіз рівняння дозволяє зробити такі висновки: відсутність значимості коефіцієнта b23 показує, що введення піску (x3) у великий заповнювач не впливає на проникність (у1), за ступенем впливу коефіцієнти bi, утворять ряд: b1 , b2 , b12 , b13 , і вплив факторів на проникність (у порядку убування) х1 (співвідношення d10 /d5) , х2 (співвідношення d5 /d2,5) і x1x2 , тобто їхня суміш. Вплив піску невеликий (tр =5,91 для коефіцієнта b13 близько до tТ = 4,3). При перекладі кодованих значень факторів у натуральні встановлена область складів, для яких, відповідно до розрахунків Кф повинний бути в інтервалі 25... 125 м/сут. Їм відповідають 4 і 5 крапки плану ПФЕ і за цими рядками плану обчислені значення:

d10 /d5 = 0,8...1,0; d5 /d2,5 = 1,0...1,2; Зк/П=6,5...10.

Для встановлених складів пористого керамзитобетону (оптимальних по проникності) виконані дослідження на другому рівні - досліджений вплив технологічних факторів на міцність (Rbt). Склади бетону наведені в табл.2.

Таблиця 2. Склади керамзитобетону, кг/м3

№ | Портланд-цемент | В/Ц | Керамзит, фр.мм | Пісок | Добавки, %

10 | 5 | 2,5 | Кварц | Керамзит | ЛСТ | С-3 | СаСl2

1 |

250 |

0.40 |

625 |

625 |

- |

- |

- |

- |

-

2 |

250 |

0.42 | 417 |

417 |

417 |

- |

- |

- |

-

3 |

250 |

0.50 |

320 |

320 |

320 |

290 |

- |

- |

-

4 |

250 |

0.55 |

320 |

320 |

320 |

- |

285 |

- |

-

5 |

250 |

0.40 |

320 |

320 |

320 |

- |

285 |

0.2 |

-

6 |

250 |

0.39 |

320 |

320 |

320 |

- |

285 |

- |

0.2

7 |

250 |

0.40 |

320 |

320 |

320 |

- |

285 |

0.2 |

- |

2

З бетону зазначених складів були відформовані фрагменти труб, розміри й методика випробувань яких дана в другому розділі. Бетонну суміш готували за двома режимами:

1. Звичайне перемішування при атмосферному тиску.

2. Двостадійне перемішування:

- вакуумування вихідних матеріалів, гомогенізація під вакуумом;

- перемішування при атмосферному тиску.

Після формування зразки тверділи в нормальних умовах, випробування проводили у віці 3, 7 і 28 доби.

Для зниження тертя цементної суспензії, що проникає в пори заповнювача, пластифікуючі добавки (склади 5 і 6) вводили з водою затвору перед перемішуванням. Результати випробувань представлені на рис. 4, номера кривих відповідають номерам складів, індекс “В” - застосування вакуумної технології при гомогенізації. Крупнопористий бетон на фракціях 10 і 5 мм (склад 1) показав найменшу міцність (1,2 МПа), введення фракції 2,5 мм підвищило міцність до 1,4 МПа (2), введення кварцового піску (Мк = 1,1) до

1,8 МПа (3), а керамзитового піску до 2,0 МПа (4). Застосування пластифікуючих добавок знизило міцність у початковий термін і практично не відбилося на кінцевій міцності (5). Вакуумування бетонної суміші кращого за міцностю складу (4) забезпечило підвищення міцності до 2,4 МПа (4В), тобто на 20%, а з уведенням ЛСТ до 2,6 МПа (5В), однак у ранній термін склади з пластифікатором мають низьку міцність, у зв'язку з чим у бетон з такою добавкою необхідно вводити прискорювач. Використання комплексної добавки ЛСТ + хлорид кальцію (CaСl2) показало кінетику росту, що відповідає кривій 4В.

Рис. 4. Зростання міцності пористого пресованого керамзитобетону Rbt (склади зазначені в тексті).

З труб були випиляні зразки й петрографічним методом в аншліфах проведений порівняльний аналіз структури бетону.

Встановлено розходження в характері руйнування бетону різного складу. Для складів 1, 2 і 3 руйнування проходить по цементному каменю, показуючи ослаблену зону контакту. Для складів 4В и 5В руйнування проходить по зерну заповнювача. Зона контакту характеризується наявністю навколо кожного зерна заповнювача тонкої плівки, що складається з високополяризуючих ромбічних кристалів кальциту (СаСО3), а також слабополяризуючих кристалів гідрату оксиду кальцію Са(ОН)2. Для складів 1, 2 і 3 суцільної плівки немає, кристалічних новотворів значно менше й вони не об'єднані гідратом оксиду кальцію в суцільну масу. Рентгенографічний аналіз фазового складу зразків показав, що за розміром піків, відповідних гідратації аліта та беліта, ступінь гідратації в зразках, що піддавались вакуумуванню, вище, ніж для інших, а лінії гідроксида кальцію (d=0,49; 0,304; 0,262; 0,19 нм) значно більше, що вказує на великий ступінь гідратації в'язкого. Експериментальні дослідження дозволили встановити фактичну міцність керамзитобетону з посиленою контактною зоною: Rbt = 2,4 - 2,6 МПа при Кф = 48...108 м/сут.

П'ятий розділ присвячений виробничому впровадженню результатів досліджень. На підставі встановлених значень Rbt визначена товщина стінки промислових зразків керамзитобетонних дренажних труб за величинами контрольного навантаження (табл. 3).

Таблиця 3. Технічні показники трубофільтрів

Діаметр d,

мм | Глибина закладення, м

2 |

4

С, мм | Контрольне навантаження, т/м |

С, мм | Контрольне навантаження, т/м

100 |

21 |

1,55 |

30 |

1,53

200 |

33 |

2,10 |

46 |

1,84

300 |

44 |

2,50 |

60 |

2,19

Проведено техніко-економічний аналіз ефективності застосування керамзитобетонних трубофільтрів, визначений економічний ефект при заміні в дренажах керамічних й азбестоцементних труб трубофільтрами, що складає 30...40% загальних витрат на спорудження дренажу.

Стосовно до нових технологічних процесів удосконалена технологічна схема виробництва трубофільтрів, в основу якої покладена конвеєрна технологічна лінія ЗЗБК-5, розроблена при участі ХДТУБА.

Дослідно-промислові зразки труб діаметром 100 мм, довжиною 1000мм із фальцевим стиковим з'єднанням на бітумній мастиці застосована БФ “Скала” для будівництва горизонтального дренажу при захисті від підтоплення території, прилеглої до заводу ім. Малишева та Харківського молокозаводу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу вітчизняного й закордонного досвіду боротьби з підтопленням встановлена ефективність застосування для горизонтального дренажу фільтруючих дренажних бетонних труб (трубофільтрів). Обґрунтовано доцільність використання легкого конструкційного фільтруючого керамзитобетону як матеріалу труб.

2. З позицій сприйняття експлуатаційних впливів встановлені критерії ефективності технологічних впливів: коефіцієнт фільтрації (Кф) і міцність при розтягу бетону (Rbt). Дослідження впливу технологічних параметрів на коефіцієнти ефективності проведено за методологією системного аналізу способом ітерацій у двох рівнях для кожного з коефіцієнтів ефективності.

3. Розроблено новий спосіб й апаратуру для визначення Кф з автоматичною підтримкою градієнтів напору та розрідження у фільтрівній рідині.

4. Встановлено взаємозв'язок між діаметром пор трубофільтра (dф) і діаметром часток ґрунту (dГ), що оточує фільтр. Отримані співвідношення dф /dГ , що забезпечують довгострокову роботу фільтра в контакті з дрібними пісками. З використанням математичного аналізу визначений вплив співвідношення фракцій заповнювача на Кф. Встановлено, що оптимальному значенню dф /dГ відповідає Кф = 25...125 м/сут. Встановлено регульовані технологічні параметри процесу: силу, під дією якої цементна суспензія заповнює пори – Рруш , реактивна сила від стисливого в порах газу (повітря) – РРЗ , в'язкість суспензії - з.

5. Розроблена технологія вакуумування пористого заповнювача в процесі гомогенізації бетонної суміші з перемішуванням у 2 стадії - під вакуумом і при надлишковому тиску, що забезпечує досягнення максимальної величини Рруш і збільшує повноту заповнення пор цементним тестом. Експериментально встановлені значення міцності при розтягу керамзитобетонних трубофільтрів, відформованих способом осьового пресування з попередньою вакуум-обробкою суміші (Рbt = 2,4 - 2,6 МПа).

6. Розроблено фізичну модель процесу адгезійної взаємодії між пористим заповнювачем і цементним каменем, відповідно до якої встановлені технологічні параметри, що забезпечують формування міцної зони контакту між заповнювачем і цементним каменем за рахунок створення розрідження в зернах заповнювача до перемішування й підняття тиску в змішувачі після того, як зерна покриваються цементним тестом.

7. З використанням отриманих моделей розроблена двостадійна технологія обробки бетонної суміші на пористих заповнювачах:

- вакуумування пористого заповнювача в герметичному бетонозмішувачі та перемішування компонентів суміші під вакуумом,

- створення в змішувачі надлишкового (атмосферного) тиску й повторне перемішування.

8. Розроблено структурну модель зони контакту “заповнювач-цементний камінь” у пористому бетоні. Встановлено, що мікротвердість цементного каменю в цій зоні є змінною величиною, що змінюється від місця контакту заповнювачів (максимум) до границі з порою (мінімум). На підставі аналізу моделі запропоновано підвищити міцність цементного каменю в ослабленій зоні введенням керамзитового мікронаповнювача з розміром часток < 0,2мм. Для ущільнення твердої бетонної суміші з мікронаповнювачем рекомендований метод пошарового пресування.

9. На основі петрографічних досліджень виявлене розходження в структурі керамзитобетону з попереднім вакуумуванням заповнювача та виготовлено за звичайною технологією, що полягає в утворенні безупинної зони контакту у вигляді плівки 0,005... 0,01 мм, переважно з карбонату кальцію (СаСО3). Під впливом розвиненої поверхні твердої фази в цементному камені відбувається прискорений ріст гідратних новотворів при новій технології в порівнянні зі звичайною, що підтверджується рентгенографічним аналізом.

10. Розроблено основи технології виробництва керамзитобетонних трубофільтрів підвищеної міцності, встановлені типорозміри промислових зразків трубофільтрів, придатних для укладання на глибину до 4-х метрів.

11. Техніко-економічними розрахунками показано, що дренажні трубопроводи з керамзитобетонних трубофільтрів, що виготовляються за розробленою технологією, більш економічні ніж системи з інших типів труб. Трубофільтри діаметром 100 мм застосовано БФ “Скала” для спорудження горизонтального дренажу при захисті від підтоплення території, прилеглої до заводу ім. Малишева та Харківського молокозаводу. Застосування розроблених трубофільтрів дозволяє на З0...40% (у залежності від глибини) знизити витрати по пристрою дренажної мережі.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Вандоловский А.Г., Гасанов А.Б. Облегченные дренажные трубы. Науковий вісник будівництва. Харків. Вип.3. ХДТУБА, ХОТВ, АБУ, 1998. С.136-138.

2. Вандоловский А.Г., Гасанов А.Б. Формирование и контроль пористости структуры трубофильтров. Науковий вісник будівництва. Харків. Вип. 6. ХДТУБА, ХОТВ, АБУ, 1999. С.50-56.

3. Вандоловский А.Г., Гасанов А.Б. Повышение механической прочности трубофильтров на пористых заполнителях. - Научно-технический сборник. Коммунальное хозяйство городов. Киев “Техника”, 1999, ХГАКХ, вып. 19, С.99-104.

4. Гасанов А.Б., Вандоловский А.Г. Улучшение экологической обстановки подтопленных территорий. - Науково-технічний збірник. “Екологічність продукції АПК: Економіка та технологія”. Том 2, Суми, 1999 р., С.263-266.

5. Гасанов А.Б., Булуашвили Г.Т. Повышение прочности при растяжении конструкционного керамзитобетона, применяемого при изготовлении трубофильтров. Науковий вісник будівництва. Харків. Вип.10. ХДТУБА, ХОТВ, АБУ. -2000, С.149-153.

6. Вандоловский А.Г., Рачковский А.В., Гасанов А.Б. Влияние параметров электротока на адгезию свежеотформованного бетона к форме. Науковий вісник будівництва. Харків. Вип.. 12. ХДТУБА, ХОТВ, АБУ, 2001, С.126-131.

7. Гасанов А.Б. и др. Технология конструкционного керамзитобетона повышенной прочности при растяжении. Науковий вісник будівництва. Харків. Вип.13. ХДТУБА, ХОТВ, АБУ. – 2001, С. 260-264.

8. Вандоловский А.Г., Гасанов А.Б., Дунаева Н.А., Ковашов А.И., Технология изготовления экологичных фильтров для вентиляции элеваторов и зерновых складов. – Науково-методичний журнал. “Вісник Сумського державного аграрного університету”. Серія “Економіка та менеджмент”.Суми. Вип.2, 2001, С.310-313.

9. Гасанов А.Б., Вандоловський О.Г. Поліпшення екологічної обстановки підтоплених територій. Науково-методичний журнал. “Вісник Сумського державного аграрного університету”.Серія “Економіка та менеджмент”.Суми. Вип.1, 2001, С.215-217.

10. Гасанов А.Б., Рачковский А.В., Рудяченко И.Ф. Трубофильтры из керамзитобетона повышенной прочности при растяжении. Науковий вісник будівництва. Харків. Вип.15. ХДТУБА, ХОТВ, АБУ. – 2001, С. 196-202.

Особистий внесок здобувача в роботи, написані в співавторстві:

1. Вандоловский А .Г., Гасанов А.Б. Облегченные дренажные трубы. Особистий внесок: запропоновано постановка задачі, визначені об'єкти дослідження, запропоновано використовувати в якості заповнювача керамзит.

2. Вандоловский А .Г., Гасанов А.Б. Формирование и контроль пористости структуры трубофильтров на пористых заполнителях. Особистий внесок: розробив конструкцію приладу та методику виміру пористої структури фільтрів.

3. Вандоловский А .Г., Гасанов А.Б. Повышение механической прочности трубофильтров на пористых заполнителях. Особистий внесок: запропоновано вакуумування легкобетонної суміші.

4. Вандоловский А.Г., Рачковский А.В., Гасанов А.Б. Влияние параметров электротока на адгезию свежеотформованного бетона к форме. Особистий внесок: запропонував технологію для прискорення розпалубки пористих бетонних виробів з використанням методу електролізу.

5. Вандоловский А.Г., Гасанов А.Б., Дунаева Н.А., Ковашов А.И., Технология изготовления экологичных фильтров для вентиляции элеваторов и зерновых складов. Особистий внесок: запропонував використовувати трубофільтри для вентиляційних магістралей.

АНОТАЦІЯ.

Гасанов Аліяр Баларза Огли. Керамзитобетонні дренажні труби підвищеної міцності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, 2002 р.

Захищаються результати теоретичних та експериментальних досліджень розробки технології пористих дренажних труб з бетону на керамзитовому заповнювачі, що забезпечує підвищення міцності труб та формування структури пористого бетону, знижуючи його кольматацію матеріалом обсипки. Використання осьового пошарового пресування жорсткої бетонної cyмішi оптимальної гранулометрії з доданням пластифікуючої ПАР дало можливість отримати бетон з підвищеною міцністю при розтягу, що значно підвищило несучу здатність дренажних труб, поширивши область їx використання (збільшити глибину укладання до 4-х метрів).

Запропонований метод гомогенізації полягає у вакуумуванні заповнювача та перемішуванні ycix інгредієнтів бетону під вакуумом на першій стадії. На другій стадії перемішування відбувається при атмосферному тиску. Збільшення швидкості та повноти заповнення капілярів забезпечується введениям ПАР та комплексного додатку: ПАР + хімічний прискорювач твердіння.

В результаті виконаних досліджень розроблена технологія виробництва пористих дренажних труб з бетону на керамзитовому заповнювачі з підвищеним показником міцності при розтягу.

Ключові слова: дренажна труба, пористий бетон, керамзит, зона контакту, вакуумна обробка, міцність при розтягу.

АННОТАЦИЯ.

Гасанов Алияр Баларза Оглы. Керамзитобетонные дренажные трубы повышенной прочности. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, 2002г.

Диссертация посвящена разработке технологии пористых дренажных труб из бетона на керамзитовом заполнителе, которая обеспечивает повышение прочности материала при оптимальной пористой структуре, гарантирующей долговременную эксплуатацию дренажа.

Анализ действующих на трубу нагрузок показал, что наиболее опасными являются растягивающие напряжения в замке (лотке) трубы, в связи с чем важной технологической задачей является разработка способов повышения прочности керамзитобетона при растяжении.

Установлено, что определение проницаемости стенок дренажных труб (коэффициент фильтрации материала Кф ) зависит от условий эксперимента ввиду выделения из жидкости растворенного в ней воздуха. Разработаны новая методика и прибор по определению Кф пористых материалов, в которых за счет дегазации жидкости в процессе ее фильтрации выделение пузырьков воздуха исключено, что обеспечивает стабильность и точность результатов измерений. Установлен диапазон оптимальных значений Кф и диаметров пор трубофильтра, допускающих их обсыпку мелким песком (20<Кф<125 м/сут).

Для решения вопроса повышения прочности керамзитобетона при растяжении (Rbt) разработана структурная модель зоны контакта “заполнитель -цементный камень”, анализ которой позволил выделить способы повышения Rbt : увеличение площади контактной зоны и повышение ее прочности путем введения микронаполнителя оптимальной гранулометрии. Для увеличения площади контакта необходимо увеличить глубину проникновения цементного теста в поры заполнителя.

Разработана физическая модель процесса насыщения капилляров цементным тестом, который позволил интенсифицировать проникновение цементного теста в поры заполнителя. На основе полученного решения разработана технология формования трубофильтров с повышенной прочностью при растяжении (Rbt). Петрографическими исследованиями установлено, что структура контактной зоны, сформированной по разработанной технологии, отличается от структуры обычного легкого бетона наличием сплошной тонкой пленки из ромбических кристаллов карбоната кальция. Рентгенографический анализ показал, что в зоне контакта происходит ускоренное структурообразование.

В результате выполненных исследований разработана технология произ

водства пористых дренажных труб из бетона на керамзитовом заполнителе с повышенным показателем прочности при растяжении.

Ключевые слова: дренажная труба, пористый бетон, керамзит, зона контакта, вакуумная обработка, прочность при растяжении.

ABSTRACT.

Gasanov Aliar Balarza Ogly. Ceramsit drain pipes of high strength. Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.05 - building materials and products. - Kharkov State Technical University of Construction and Architecture. Kharkov. 2002.

The thesis is devoted to a problem of creation and implantation of effective new technology of making porous drain pipes of concrete with ceramsit aggregates that is based on the experimental, theoretical, test and industrial investigations/ Tensile strength of light concrete is determined with using ring-specimen. Special apparatus for testing of water penetration of drain pipe is constructed. Range of required water penetration and pora's diameters corresponding to the grains of sand around the pipe is determined.

Vacuum treatment of porous aggregate during mixing permits to enlarge squire of contact between cement paste and aggregate. Compacting of concrete mixture with chemical plasticizer by stratifical pressing after vacuum treatment permits to increase tensile strength of porous concrete Rbt up to 2,4... 2,6 MPa and therefore allows to make drain porous pipes adjust for using at drain systems under 4 meters from land surface. The contact zone between cement stone and aggregate surface is studied and strong contact stratum is found. The reductions of material and labour expenditures are achieved about 30-40%. Porous pipes had been used to drain building squire of milk plant.

Keywords: drainage, concrete porous pipe, vacuum treatment, ceramsit aggregate, porosity, tensile strength.

Підп. до друку 22.01.02. Формат 60х90/16

Папір пис. 2. Умовн. друк. арк.. 0.92.

Тираж 100 прим. Зам. № 490

Ризограф ХДТУБА, 61002, Харків, вул.. Сумська, 40