ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
КОРОБКО ОКСАНА ОЛЕКСАНДРІВНА
УДК.666.94.017
ПІДВИЩЕННЯ ТРІЩИНОСТІЙКОСТІ
ЦЕМЕНТНИХ КОМПОЗИЦІЙ ДЛЯ РЕМОНТУ
БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ
Спеціальність 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ОДЕСА – 2002
дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській державній академії
будівництва та архітектури (ОДАБА), Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор
ВИРОВИЙ Валерій Миколайович,
Одеська державна академія будівництва та
архітектури, завідувач кафедрою “Виробництво
будівельних виробів і конструкцій”.
Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор
ДОРОФЄЄВ Віталій Степанович,
Одеська державна академія будівництва та
архітектури, завідувач кафедрою опору матеріалів;
– кандидат технічних наук,
ГНИП Ольга Павлівна,
заступник директора по виробництву, відкрите
акціонерне товариство “Силікат”, м. Одеса.
Провідна установа – Рівненський державний технічний університет,
кафедра “Технологія будівельних виробів та
матеріалознавства”, Міністерство освіти і науки
України, м. Рівне.
Захист відбудеться “1” жовтня 2002р. об 11 годині на засіданні
Спеціалізованої Вченої Ради Д 41.085.01 Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.
Автореферат розісланий “28” вересня 2002р.
Вчений секретар Спеціалізованої Вченої Ради Макарова С.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність досліджень. Великий об’єм ремонтних, захисних та відбудовчих робіт, які виконуються в будівельній галузі в теперішній час, зумовлює необхідність розроблення нових композиційних матеріалів з підвищеними міцнісними властивостями або вдосконалення вже існуючих композитів. До основних вимог, котрі пред’являють матеріалам на основі портландцементу, відносять високу тріщиностійкість. Зародження і розвиток тріщин можуть бути спричинені початковими об’ємними зміненнями цементних композицій, які супроводжують протікання фізико-хімічних та фізико-механічних явищ організації структури твердіючих мінеральних в’яжучих. Процеси гідратації і структуроутворення цементних композицій в значній мірі визначаються їх якісним та кількісним складами, зміна яких призводить до змінення умов твердіння, що, у свою чергу, відбивається на значеннях і кінетиці об’ємних деформацій. Забезпечується можливість регулювання об’ємними деформаціями цементних композицій шляхом зміни якісних характеристик та кількісного співвідношення часток дисперсної фази. Для рішення цієї задачі важливим є вивчення впливу початкового складу твердіючих систем на величину та інтенсивність їх об’ємних змінень. Керування початковими об’ємними деформаціями цементних композицій дозволить підвищити експлуатаційну надійність будівельних конструкцій, а визначення оптимальних складів в’яжучого буде сприяти одержанню матеріалів з потрібними тріщиностійкістю та фізико-механічними властивостями. Таким чином, дослідження, під час яких вирішуються питання підвищення в’язкості руйнування і міцнісних характеристик цементних композицій, призначених для ремонтних, захисних та відбудовчих робіт, можна вважати своєчасними та актуальними.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Приведені в дисертації дослідження теоретичного та прикладного характеру виконувалися згідно з напрямками науково-дослідних робіт кафедри “Виробництво будівельних виробів і конструкцій” Одеської державної академії будівництва та архітектури (кафедра ВБК, ОДАБА) у відповідності з держбюджетними темами № 62 “Технологічна пошкодженність та її вплив на властивості будівельних композиційних матеріалів та конструкцій” (1997-1999р.р.) та № 78 “Аналіз механізмів формування технологічної спадковості та її вплив на основні властивості будівельних матеріалів та конструкцій” (2000-2002р.р.)
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення тріщиностійкості та фізико-механічних властивостей цементних композицій за рахунок регулювання їх початковими об’ємними зміненнями шляхом введення наповнювачів різних кількості і питомої поверхні.
Для досягнення мети були визначені наступні задачі:
- запропонувати та проаналізувати механізми початкового структуроутворення цементних композицій залежно від складу часток дисперсної фази;
- визначити кількісні значення і кінетику виявлення початкових об’ємних змінень індивідуальних клінкерних мінералів та цементних композицій;
- вивчити вплив виду та кількості мономінералів клінкеру на початкові обємні деформації полімінеральних систем;
- визначити вплив водов’яжучого відношення та геометричних параметрів датчика змінення об’єму на об’ємні деформації твердіючих систем;
- вивчити вплив кількості двоводного гіпсу та кварцового наповнювача різної питомої поверхні на початкові об’ємні деформації, в’язкість руйнування та фізико-механічні характеристики цементних композицій;
- визначити оптимальні склади наповнених цементних композицій з метою одержання матеріалів з підвищеними тріщиностійкістю і фізико-механічними властивостями та розробити рекомендації по їх вживанню.
Об’єктами досліджень є індивідуальні клінкерні мінерали та цементні композиції.
Предмет досліджень – вплив початкового складу в’яжучого на об’ємні змінення, тріщиностійкість та фізико-механічні характеристики цементних композицій.
Методи досліджень. Об’ємні деформації визначали по величині змінення геометричного об’єму твердіючих зразків, оформлених у вигляді циліндричних кілець, за допомогою спеціальних датчиків. Фізико-механічні властивості та в’язкість руйнування цементного каменю визначали відповідно до загально діючих методик. Статистична обробка експериментальних даних проводилась з використанням апарата математичного планування (кафедра ПАТБМ, ОДАБА), що дозволило розрахувати коефіцієнти поліноміальних моделей класу “суміш, технологія - властивість” та побудувати на їх основі діаграми трикутники на квадраті”, які відбивають вплив рецептурно-технологічних факторів на властивості твердіючих та затверділих цементних композицій.
Наукова новизна отриманих результатів:
- запропоновані механізми початкової організації структури цементних композицій з урахуванням складу їх вихідних часток;
- вивчена кінетика та проаналізовані кількісні значення об’ємних деформацій твердіючих цементних композицій та окремих клінкерних мінералів;
- експериментально підтверджено вплив якісного та кількісного складів мінеральних композицій на їх початкові об’ємні змінення;
- вивчено вплив кількості двоводного гіпсу та кварцового наповнювача різної питомої поверхні на початкові об’ємні деформації, в’язкість руйнування та фізико-механічні властивості цементних композицій;
- визначені оптимальні склади цементного вяжучого, які дозволяють отримувати будівельні матеріали з підвищеними тріщиностійкістю та міцнісними характеристиками.
Практичне значення отриманих результатів. Експериментальні дані показали, що об’ємні змінення, які супроводжують процеси початкового твердіння цементних композицій, відбиваються на властивостях кінцевого продукту. Регулювати об’ємні деформації твердіючих систем та, як наслідок, одержувати матеріали з потрібними показниками якості можна шляхом введення у склад в’яжучого наповнювачів.
По результатам проведених досліджень були визначені оптимальні по кількості та питомої поверхні кварцового наповнювача склади цементного в’яжучого. Запропоновані склади сприяють підвищенню тріщиностійкості і фізико-механічних властивостей будівельних матеріалів, а також зниженню їх матеріалоємкості, що зумовлює ефективність використання портландцементу, наповненого молотим кварцовим піском рекомендованих якісних і кількісних характеристик, у ремонтних, захисних та відбудовчих роботах. Визначені в дисертації склади цементного в’яжучого були застосовані при зміцненні і зашпаровуванні тріщин, щілин, стиків та швів 50 стінових панелей і панелей перекриття та відбудові герметичності 25 санітарно-технічних кабін у ВАТ “Одеський Домобудівельний комбінат”.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати досліджень були отримані автором самостійно:
- огляд літературних даних про причини виникнення об’ємних змінень в’яжучих композицій у період їх початкового твердіння;
- проведення експериментальних робіт по визначенню кількісних значень та інтенсивності виявлення об’ємних деформацій твердіючих систем, а також показників тріщиностійкості і основних фізико-механічних властивостей цементних композицій;
- розрахунок і аналіз комплексу експериментально-статистичних моделей при вивченні залежності початкових об’ємних змінень, в’язкості руйнування та міцнісних характеристик цементного каменю від складу в’яжучого;
- визначення оптимальних складів наповнених цементних композицій з підвищеними експлуатаційними властивостями.
Апробація дисертаційної роботи. Основні положення та результати досліджень були представлені на наступних міжнародних науково-технічних семінарах, конференціях і симпозіумах: Моделювання та обчислювальний експеримент в матеріалознавстві (Одеса, 1996р.), Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону (Київ, 1996р.), Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди (Рівне, 1996р., 2001р.), Комп’ютерне матеріалознавство та забезпечення якості (Одеса, 1997р.), Моделювання в матеріалознавстві (Одеса, 1998р.), “Строй-експо 2001 (Одеса, 2001р.), “Удосконалення методів проектування складів бетону” (Рівне, 2001р.).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих праць, у тому числі 3 статті в наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, та 7 публікацій у збірниках міжнародних науково-технічних конференцій, семінарів і симпозіумів.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, основної частини (4 розділи), висновків, списку використаних літературних джерел і додатка. Дисертація викладена на 174 сторінках, з яких 111 сторінок основного тексту, 44 рисунків на 44 сторінках, 14 таблиць, список використаної літератури з 140 найменувань на 12 сторінках, 4 сторінки додатка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано доцільність дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні задачі досліджень, розкрито їх наукову новизну, викладено практичну цінність отриманих результатів, наведені відомості про апробацію дисертації.
У першому розділі подано огляд існуючих наукових робіт, присвячених вивченню причин та характеру виявлення об’ємних змінень цементних композицій у різні періоди їх твердіння. Розглянуто хімічний та мінералогічний склади портландцементу, якість продуктів його гідратації, вплив мінеральних наповнювачів на процеси організації структури цементного каменю, а також проведено аналіз взаємозв’язку між вихідним складом, структуроутворенням та властивостями композиційних будівельних матеріалів.
Відомо (А.Л.Лешательє, В.Міхаеліс, А.А.Байков, Ф.Лі, Т.Пауерс, П.П.Будников, С.Д.Окороков, С.М.Рояк), що цементне в’яжуче по своїй структурі є багатокомпонентною дисперсною системою, яка складається з великої кількості різних по хіміко-мінералогічному складу, будові, поверхневим властивостям та розмірам сполучень (часток). Зерна портландцементу являють собою мінеральні полікристалічні тіла, створені з ансамблів взаємозв’язаних монокристалів основних та другорядних клінкерних фаз (Ю.М.Бутт, Г.І.Горчаков, О.В.Волженський). Цементні частки відрізняються між собою по виду та кількості утворюючих їх клінкерних мінералів (О.О.Пащенко, М.А.Савицький, В.В.Тимашев). Склад і будова тієї або іншої частинки цементу визначаються якісним та кількісним співвідношенням індивідуальних фаз клінкеру в їх об’ємі.
Під час твердіння мінеральні в’яжучі зазнають глибоких змін як у своєму вихідному хімічному складі, так і в первісному фізичному стані. Внаслідок процесів гідратації та структуроутворення цементні композиції перетворюються з пластичної суміші підвищеної в’язкості у міцний камінеподібний матеріал, будова якого відрізняється від початкової структури якісними характеристиками, кількістю і властивостями складових компонентів, а також умовами їх взаємодії та взаємозв’язків (В.І.Бабушкін, В.Д.Глухівський, В.М.Юнг, М.М.Сичьов). Цей перехід супроводжується безперервними зміненнями питомих об’ємів індивідуальних структурних елементів твердіючої системи різного масштабного рівня (локальні V) та зміненням її загального об’єму як єдиного цілого (інтегральні V). Виникнення початкових об’ємних деформацій спричинюється фізико-хімічними та фізико-механічними явищами твердіння цементних композицій, які викликають змінення об’ємів складаючих їх дисперсних часток або цілих фаз (Й.М.Ахвердов, К.Г.Красильников, Т.В.Кузнєцова, В.В.Некрасов). Виходячи з цього, припустимо вважати об’ємні змінення своєрідним відображенням структурних перетворень, що відбуваються у тужавіючих системах. Початкові об’ємні деформації можна представити посередньою характеристикою, яка здатна відбивати змінення процесів гідратації та організації структури цементних композицій при зміні умов їх твердіння.
Для цементних композицій, як типових представників композиційних матеріалів, характерна залежність їх остаточної будови і, як наслідок, експлуатаційних властивостей від вихідного складу в’яжучого та процесів структуроутворення (В.І.Соломатов, В.М.Вировий). Первісний склад є основним чинником, який спадково впливає на формування структури твердіючих систем. Якісні характеристики та кількісне співвідношення часток дисперсної фази визначають умови їх взаємодії одна з одною і дисперсійним середовищем, що, у свою чергу, позначається на подальшому твердінні цементних композицій. Введення до складу портландцементу мінеральних наповнювачів різних кількості та питомої поверхні спричинює зміну процесів початкового структуроутворення тужавіючих систем, що відбивається як на величині та кінетиці виявлення їх об’ємних деформацій, так і кінцевих властивостях.
У другому розділі наведені характеристики використаних матеріалів та визначені методи досліджень.
В якості об’єктів аналізу застосовували: індивідуальні клінкерні мономінерали – C3S, C2S, C3A та C4AF (виробництво дослідного заводу НДІЦЕМЕНТУ, м. Подільськ, Росія); портландцемент (виробництво ЗАТ “Одесацемент”, м. Одеса, Україна); тонкомолотий природний гіпсовий камінь (родовище біля м. Степанакерт, Азербайджан); кварцовий наповнювач.
При проведенні експериментальних робіт контролювали:
- об’ємні змінення (V);
- міцність при стиску (R) та міцність на розтяг при вигині (Rbt);
- коефіцієнт інтенсивності напружень К1с (згідно ДСТУ 29167 - 91);
- коефіцієнт технологічного впливу на тріщиностійкість (Кт).
Експерименти виконували по плану суміш, технологія - властивість, спеціально синтезованому в системі COMPEX (В.А.Вознесенський, Т.В.Ляшенко). В якості змінних були прийняті: питома поверхня кварцового наповнювача (Sпит = 400200м2/кг) та кількість наповнювача (Х1 = 2010%) і двоводного гіпсу (Х2 = 32%) від маси цементу.
Графічна інтерпретація одержаних експериментальних даних відображена у вигляді графіків та діаграм “трикутники на квадраті”.
У третьому розділі приведені можливі механізми початкової організації структури цементних композицій залежно від складу їх вихідних часток, а також результати досліджень по визначенню кількісних значень, інтенсивності і тривалості протікання об’ємних деформацій твердіючих моно- та полімінеральних систем.
Змішування цементного в’яжучого з водою спричинює утворення термодинамічно несталої композиції, яка відноситься до висококонцентрованих грубодисперсних ліофобних систем з ліофільною поверхнею розподілу між твердою і твердою та твердою і рідкою фазами (П.А.Ребіндер, М.Б.Ур’єв, В.М.Вировий). Структуроутворення таких систем відбувається в результаті фізико-механічних і фізико-хімічних процесів взаємодії дисперсних часток одна з одною та дисперсійним середовищем.
Цементна композиція може містити у своєму складі одночасно мономінеральні і полімінеральні зерна. Це пояснюється тим, що гранули клінкеру являють собою тіла крихкої будови, руйнування яких під час помелу проходить по дефектам структури клінкерних фаз та границям розподілу між ними. При цьому можливо звільнення із гранул клінкеру у вигляді самостійних частинок як окремих кристалів, так і різноманітних сукупностей взаємозв’язаних кристалів клінкерних мономінералів (О.О.Пащенко, М.А.Саницький, Г.С.Ходаков). До складу портландцементу також входять двоводний гіпс та, в багатьох випадках, мінеральні наповнювачі, застосування котрих зумовлюється необхідністю регулювання властивостями твердіючих та затверділих цементних композицій. Частинки гіпсу та наповнювачів можна представити як окремі мономінеральні частки дисперсної фази, які відрізняються від цементних зерен хімічною природою, питомою поверхнею і кількістю.
Частки портландцементу, двоводного гіпсу та наповнювачів відзначаються масою, яка не дозволяє їм брати участь у броунівському русі. Тому частинки цементного в’яжучого можна розглядати як матеріальні об’єкти, сила ваги яких вимірна із силами міжчасткових взаємодій. Висока концентрація часток дисперсної фази припускає, що кожна частинка знаходиться в силовому полі сусідніх часток (на відстанях близької та дальньої коагуляції). Це веде до виявлення сил міжчасткових взаємодій. Флуктуація дисперсних часток по складу, розмірам та відстані між ними зумовлює дію неврівноважених сил міжчасткових взаємодій. Під впливом цих сил дисперсні частинки переміщуються до своїх “структуроутворюючих” центрів, формуючи дискретні блоки. До “структуроутворюючих” центрів можна віднести ті частки дисперсної фази, котрі відрізняються від інших більшим розміром, більш великою поверхневою активністю, меншою міжчастковою відстанню, або зони системи, в яких частки переходять у рівноважний механічний стан.
Будова структурних агрегатів визначається співвідношенням розмірів дисперсних часток, відстанню, на якій вони знаходяться одна від одної, та, значною мірою, їх складом. Залежно від якісних та кількісних складів зерен в’яжучого були запропоновані можливі механізми початкового структуроутворення цементних композицій (рис.1). На умови організації кластерних структур у першу чергу впливають вид і кількість клінкерних фаз, утворюючих моно- та полімінеральні частки цементу.
Організація дискретних агрегатів може здійснюватися в результаті взаємодії мономінеральних частинок однакової мінералогічної природи між собою (рис.1а). Утворення структурних блоків відбувається через флуктуацію часток по розмірам та міжчасткової відстані. Такі кластерні структури характеризуються однорідністю свого хімічного складу. Взаємодія мономінеральних зерен різної мінералогічної природи одна з одною призводить до утворення змішаних дискретних блоків (рис.1б). При цьому дисперсні частки можуть одночасно контактувати як з собі подібними по виду мономінеральними частинками, так і з зернами іншої хімічної природи. Розміщення відмінних по мінералогічному виду мономінеральних часток на поверхні “структуроутворюючих” центрів відбувається у самовільному порядку. Організація структурних агрегатів можлива також внаслідок взаємодії моно- та полімінеральних зерен портландцементу (рис.1в). Кластероутворення в цьому випадку супроводжується орієнтуванням взаємодіючих часток одна відносно одної активними центрами або ділянками поверхні однакової мінералогічної природи (рис.2).
Рис.1. Схеми міжчасткових взаємодій часток дисперсної фази при
початковому структуроутворенні цементних композицій.
а) взаємодія мономінеральних часток однакового складу;
б) взаємодія мономінеральних часток різного складу;
в) взаємодія мономінеральних та полімінеральних часток.
Рис.2. Схема просторового орієнтування полімінеральних часток
портландцементу.
1 – частки дисперсної фази;
2 – клінкерні мінерали;
3 – поверхня розподілу між клінкерними мінералами;
FА , FВ, FС – сили міжчасткових взаємодій;
А, В, С – кути орієнтування.
Приведені механізми організації дискретних блоків показують, що умови початкового структуроутворення цементних композицій багато в чому залежать від складу часток дисперсної фази. Таким чином, первісний склад в’яжучого визначає протікання процесів твердіння мінеральних систем. Зміна якісних характеристик і кількості вихідних часток портландцементу позначається на кінетиці обмінних хімічних реакцій, що, як наслідок, відбивається на величині та інтенсивності об’ємних деформацій тужавіючих композицій.
Змінення загального об’єму в’яжучих систем під час початкового твердіння визначається об’ємними деформаціями їх окремих складових частин. Тому проводити аналіз об’ємних змінень твердіючих цементних композицій без урахування V клінкерних мінералів практично неможливо. У зв’язку з цим, була поставлена задача вивчення кількісних значень та характеру виявлення початкових об’ємних деформацій індивідуальних мономінералів цементного клінкеру.
Експериментальні дослідження показали, що об’ємні змінення тужавіючих клінкерних мінералів відрізняються по величині, тривалості та інтенсивності протікання (рис.3).
Рис.3. Об’ємні змінення твердіючих клінкерних мінералів.
1 – трьохкальцієвий силікат; 3 – трьохкальцієвий алюмінат;
2 – двохкальцієвий силікат; 4 – чотирьохкальцієвий алюмоферіт.
Твердіння мономінералів протягом перших 9 годин супроводжується чергуванням періодів початкових усадочних V, збільшення об’єму та повторних усадочних деформацій. Зміна характеру V клінкерних мінералів пов’язана із зміненням процесів їх гідратації і структуроутворення на різних етапах твердіння. Найбільшою величиною початкового зменшення об’єму відзначається двохкальцієвий силікат C2S. Значення початкових усадочних деформацій трьохкальцієвого силікату C3S, трьохкальцієвого алюмінату C3A і чотирьохкальцієвого алюмоферіту C4AF складають на 25%, в 3 та 4 рази, відповідно, менше, ніж об’ємні змінення C2S. Максимальне збільшення об’єму властиве трьохкальцієвому силікату, величина якого перевищує об’ємні деформації C2S на 18.5%, C3A та C4AF в 3 рази. Повторні усадочні V чотирьохкальцієвого алюмоферіту на 18% більше, ніж об’ємні змінення C3A і в середньому на 30% більше у порівнянні з V мінералів-силікатів.
Умови початкової організації структури полімінеральних систем визначаються видом та кількістю складаючих їх клінкерних мінералів. Зміна мінералогічної природи та кількісного співвідношення часток дисперсної фази впливає на міжчасткові взаємодії, зумовлюючи змінення складів структурних блоків та, як наслідок, фізико-хімічних процесів структуроутворення тужавіючих систем, що повинно позначитися на їх об’ємних деформаціях.
Результати дослідів показали, що початкові об’ємні змінення індивідуальних мономінералів клінкеру та штучно синтезованих на їх основі полімінеральних композицій різних мінералогічних та кількісних складів відрізняються по значенням і кінетиці виявлення. Так, величина V двокомпонентної системи C3S(65%)+C2S(35%), зафіксованих протягом перших 9 годин твердіння, складає на 34% та 39%, відповідно, менше, ніж об’ємні деформації окремих трьох- та двохкальцієвого силікатів (рис.4). Початкові об’ємні змінення чотирьохкомпонентної системи C3S(45%)+C2S(30%)+C3A (10%)+C4AF(15%) перевищують V мінералів-силікатів в середньому в 2 рази, трьохкальцієвого алюмінату та чотирьохкальцієвого алюмоферіту – в середньому в 5 разів. Тривалість об’ємних деформацій клінкерних мінералів в різні періоди твердіння також відрізняється від часу виявлення V полімінеральних композицій.
Рис.4. Об’ємні змінення клінкерних мінералів та полімінеральних систем.
1 – трьохкальцієвий силікат C3S;
2 – двохкальцієвий силікат C2S;
3 – двокомпонентна система C3S(65%)+C2S(35%);
4 – чотирьохкомпонентна система С3S(45%)+C2S(30%)+C3A(10%)+C4AF(15%).
Аналогічним чином було проаналізовано величину і кінетику об’ємних змінень двокомпонентних систем C3S(85%)+C3A(15%), C3S(75%)+C4AF(25%), C2S(70%)+C3A(30%), C2S(60%)+C4AF(40%), C3A(40%)+C4AF(60%).
Зменшення та збільшення кількості C3S і C2S у складі чотирьохкомпонентної системи C3S(45%)+C2S(30%)+C3A(10%)+C4AF(15%) призводить до змінення її V в середньому на 30%, кількості C3A та C4AF – в середньому в 2.5 рази.
Проведені дослідження показали, що вид і кількісне співвідношення мономінералів цементного клінкеру визначають значення та кінетику об’ємних деформацій полімінеральних композицій. Це експериментально підтверджує, що умови початкового структуроутворення тужавіючих систем залежать від складу і кількості їх вихідних часток.
Для більш докладного підтвердження того, що початкові об’ємні змінення дійсно є посереднім відбитком процесів твердіння мінеральних композицій, були виконані дослідження по вивченню впливу водов’яжучого відношення на величину та інтенсивність об’ємних деформацій твердіючих клінкерних мінералів. Кількість води замішування визначає відстані між частками дисперсної фази. Підвищення В/В призводить до зменшення кількості дисперсних частинок в об’ємі системи та збільшенню відстаней між ними, що зумовлює зміну складів структурних агрегатів та, як наслідок, процесів їх взаємодії між собою і дисперсійним середовищем. Це повинно відобразитися на кількісних значеннях та кінетиці V твердіючих систем. Отримані експериментальні дані показують, що при збільшенні водов’яжучого відношення з В/В=0.32 до В/В=0.35 величина і інтенсивність протікання початкових об’ємних деформацій C3S змінюються на 40% та 49%, відповідно, C2S – на 19% та 42%, C3A – на 15% та 24%, C4AF – на 41% та 36%.
Дослідження показали, що при прийнятій методиці визначення V порівняння та інтерпретацію експериментальних даних необхідно проводити з урахуванням впливу геометричних параметрів датчика змінення об’єму на кількісні значення та кінетику об’ємних деформацій тужавіючих систем. Це пов’язано з тим, що зміна товщини стінки кільця-датчика (Vм) викликає перерозподіл власних деформацій у твердіючих матеріалах та впливає на величину і характер їх V. Збільшення Vм=19см3 до Vм=26см3 призводить до змінення значень та інтенсивності початкових об’ємних деформацій клінкерних мінералів в середньому на 30%, відповідно.
У четвертому розділі вивчено вплив кількості двоводного гіпсу та кварцового наповнювача різної питомої поверхні на початкові об’ємні змінення, тріщиностійкість та фізико-механічні характеристики цементних композицій, проведено аналіз кореляційної залежності між об’ємними деформаціями твердіючих систем та їх кінцевими властивостями, визначено оптимальні склади цементного в’яжучого, які сприяють підвищенню в’язкості руйнування і міцності будівельних матеріалів на основі портландцементу та зниженню їх матеріалоємкості.
Притаманний будівельним композитам взаємозв’язок між їх первісним складом, процесами організації структури, остаточною будовою і кінцевими властивостями забезпечує можливість керування структуроутворенням твердіючих цементних систем через зміну якісного та кількісного вмісту вихідних компонентів у в’яжучому з метою одержання матеріалів із заданою структурою та потрібними експлуатаційними характеристиками.
Аналіз можливих механізмів початкового структуроутворення цементних композицій показав, що склад та кількісне співвідношення часток дисперсної фази, визначаючи умови міжчасткових взаємодій, впливають на вміст і будову дискретних блоків, від яких, у свою чергу, залежить протікання реакцій гідратації та фізико-механічних явищ організації структури тужавіючих систем. Це експериментально підтверджується зміною величини та кінетики об’ємних деформацій цементних композицій, як посередньої характеристики їх структуроутворення, при введенні у в’яжуче часток інших у порівнянні з зернами портландцементу якісних параметрів та кількості. Зміна вихідного складу відбивається на процесах організації структури твердіючих систем, що дозволяє регулювати їх V, а також будову та властивості кінцевого матеріалу. Тому була поставлена задача визначення впливу двоводного гіпсу і кварцового наповнювача на початкові об’ємні деформації, тріщиностійкість та міцність цементних композицій.
Дослідження проводились по плану “суміш, технологія - властивість”, кожна з 15 експериментальних точок якого відповідає певній кількості CaSO42H2O та наповнювача різної питомої поверхні у складі в’яжучого.
Використання двоводного гіпсу і молотого кварцового піску викликає зниження об’ємних змінень цементних композицій у перші 9 годин твердіння. При 1% CaSO42H2O об’ємні деформації тужавіючих систем зменшуються в середньому на 32%, при 3% та 5% двоводного гіпсу – в середньому на 38% та 41%, відповідно. Введення наповнювача у кількості 10% або 30% призводить до зниження V цементних композицій в середньому на 39% як в одному, так і в другому випадку. При 20% тонкомолотого кварцового піску зменшення об’ємних деформацій твердіючих систем відбувається в середньому на 33%. Застосування наповнювача з питомою поверхнею Sуд=600м2/кг викликає зниження V цементних композицій в середньому на 17% більше, ніж при Sуд=400м2/кг та на 26% більше, ніж при Sуд=200м2/кг.
Зміна кількісних значень і кінетики початкових об’ємних деформацій цементних композицій свідчить про те, що введення у склад в’яжучого двоводного гіпсу та кварцового наповнювача спричинює змінення процесів організації структури тужавіючих систем. При цьому вплив CaSO42H2O та молотого кварцового піску на структуроутворення цементних композицій визначається їх кількістю і питомою поверхнею часток наповнювача. Зміна умов протікання процесів твердіння повинна позначитися на остаточній будові та кінцевих властивостях мінеральних систем. Тому були проведені дослідження по визначенню впливу кількості двоводного гіпсу та кварцового наповнювача з різною Sуд на тріщиностійкість і фізико-механічні характеристики цементного каменю.
Оцінка в’язкості руйнування затверділих цементних композицій проводилась з використанням коефіцієнтів інтенсивності напружень. Ініціювання тріщини здійснювали двома засобами: шляхом закладення металевої пластини у зразок при його формуванні (К1сз) та шляхом розпилу вже затверділого зразка (К1ср). Одержані експериментальні дані показали, що збільшення вмісту CaSO42H2O у в’яжучому з 1% до 3% та 5% або зменшення кількості наповнювача з 30% до 10% та 20% призводить до підвищення тріщиностійкості цементного каменю незалежно від метода ініціювання тріщини. Максимально в’язкість руйнування зростає при введенні в портландцемент 10% молотого кварцового піску. В цьому випадку можна підвищити тріщиностійкість затверділих цементних композицій, з урахуванням Sуд наповнювача та кількості двоводного гіпсу, з К1сз=2.8МПам1/2 до К1сз=3.23.9МПам1/2 та з К1ср=3.85МПам1/2 до К1ср=4.7–6.1МПам1/2 (рис.5а). Збільшення питомої поверхні тонкомолотого кварцового піску з Sуд=200м2/кг до Sуд=400м2/кг та Sуд=600м2/кг сприяє підвищенню значень К1сз та К1ср.
Рис.5. Вплив кількості та питомої поверхні кварцового наповнювача на
властивості затверділих цементних композицій.
а) тріщиностійкість (К1ср);
б) міцність при стиску (R).
Введення 30% наповнювача дозволяє зберегти показники міцності цементного каменю при стиску лише при 5% CaSO42H2O і змішаному зерновому складі наповнювача, який містить 60% часток з Sуд=400м2/кг та 40% часток з Sуд=600м2/кг (рис.5б). Зменшення кількості молотого кварцового піску викликає збільшення значень R. Використання 10% наповнювача, залежно від питомої поверхні його часток та вмісту в портландцементі двоводного гіпсу, призводить до підвищення міцності при стиску затверділих цементних композицій з R=63.5МПа до R=6672МПа. Зміна питомої поверхні наповнювача та кількості CaSO42H2O також впливає на значення R.
Аналогічні результати були отримані при визначенні впливу молотого кварцового піску та двоводного гіпсу на міцність цементного каменю при вигині. Введення 10% наповнювача викликає збільшення значень Rbt з Rbt=8.9МПа до Rbt=9.910.9МПа. Оптимальна питома поверхня наповнювача при цьому становить Sуд=400м2/кг. При збільшенні кількості CaSO42H2O міцність цементних композицій на розтяг при вигині підвищується, в середньому на 10%.
Для аналізу впливу спадкових чинників, до яких відносять вихідний склад в’яжучого та об’ємні змінення твердіючих систем, на тріщиностійкість цементного каменю використовували коефіцієнт технологічного впливу Кт, котрий виражають як відношення: Кт=К1сз / К1ср.
Результати досліджень дозволили визначити, що вплив технологічних факторів на в’язкість руйнування затверділих цементних композицій зростає при зменшенні вмісту двоводного гіпсу в складі в’яжучого до 1% та збільшенні кількості наповнювача до 30%. Вплив питомої поверхні молотого кварцового піску на значення Кт залежить від кількості наповнювача та CaSO42H2O.
Для підтвердження того, що регулюванням початковими об’ємними деформаціями твердіючих систем можна керувати їх остаточною структурою та, як наслідок, властивостями готового матеріалу, була розрахована кореляційна залежність між величиною початкових V та тріщиностійкістю і фізико-механічними характеристиками наповнених цементних композицій. Отримані дані показали, що системи, для яких властиві менші об’ємні деформації в перші 9 годин твердіння, характеризуються підвищеною в’язкістю руйнування та більш високою міцністю при стиску і вигині. Коефіцієнти кореляції склали: для К1сз 0.83, для К1ср 0.85, для R 0.786, для Rbt – 0.77.
По результатам проведених досліджень були визначені оптимальні по вмісту двоводного гіпсу та кількості і питомої поверхні кварцового наповнювача склади цементного в’яжучого, які забезпечують максимальне підвищення тріщиностійкості та фізико-механічних властивостей цементних композицій, а також дозволяють отримувати матеріали із заданою міцністю при стиску (R=60МПа) при зменшенні витрачання портландцементу на 30%.
Рекомендовані склади були використані при зміцненні та зашпаровуванні тріщин, щілин, стиків і швів 50 стінових панелей і панелей перекриття та відбудові герметичності 25 санітарно-технічних кабін у ВАТ “Одеський Домобудівельний комбінат”.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Проведені дослідження показали, що регулювання початковими об’ємними зміненнями цементних композицій дозволяє підвищити їх тріщиностійкість та фізико-механічні властивості. Керувати V можна введенням до складу в’яжучого наповнювачів різних кількості і питомої поверхні.
2. Запропоновано та проаналізовано можливі механізми початкового структуроутворення цементних композицій залежно від складу часток дисперсної фази. Руйнування гранул клінкеру під час помелу по дефектам структури складаючих їх клінкерних фаз і міжфазним границям розподілу зумовлює співіснування в портландцементі мономінеральних частинок різного мінералогічного виду та полімінеральних часток з індивідуальним сполученням мономінералів клінкеру в їх об’ємі. Організація початкової структури цементних композицій здійснюється внаслідок формування однорідних та змішаних дискретних блоків у результаті взаємодії моно- і полімінеральних зерен як з собі подібними по складу частками, так і з частками іншої хімічної природи. Утворення структурних агрегатів супроводжується орієнтуванням цементних часток одна відносно одної активними центрами або ділянками поверхні однакового мінералогічного складу.
3. Визначено кількісні значення і кінетику початкових об’ємних змінень індивідуальних клінкерних мінералів та цементних композицій. Об’ємні деформації твердіючих мономінералів клінкеру відрізняються по величині, інтенсивності і тривалості їх виявлення. Максимальні V властиві трьох- та двохкальцієвому силікатам. За перші 9 годин гідратації та структуроутворення величина об’ємних змінень C3S склала 0.91%, C2S 0.98%. Об’ємні деформації трьохкальцієвого алюмінату C3A та чотирьохкальцієвого алюмоферіту C4AF в середньому в 2.3 рази менше, ніж V мінералів-силікатів. Цементні композиції характеризуються такою ж кінетикою розвитку об’ємних змінень, що і клінкерні мономінерали. При цьому кількісні значення їх V перевищують об’ємні деформації трьох- та двохкальцієвого силікатів в середньому на 40%, C3A та C4AF – в середньому в 4 рази.
4. Початкові об’ємні змінення індивідуальних мономінералів цементного клінкеру та штучно синтезованих на їх основі полімінеральних систем відрізняються по величині та швидкості виявлення. Величина об’ємних деформацій двокомпонентних систем різних складів відрізняється від V трьох- та двохкальцієвого силікатів в середньому на 39%, трьохкальцієвого алюмінату і чотирьохкальцієвого алюмоферіту в середньому на 18%. Початкові об’ємні змінення чотирьохкомпонентної системи C3S(45%)+C2S (30%)+C3A(10%)+C4AF(15%) перевищують V мінералів-силікатів в середньому в 2 рази, C3A та C4AF – в середньому в 5 разів. Зменшення та збільшення кількості C3S і C2S у складі чотирьохкомпонентної системи викликає зміну її початкових об’ємних деформацій в середньому на 30%, кількості C3A та C4AF в середньому в 2.5 рази.
5. Експериментальні дослідження показали, що величина і кінетика об’ємних деформацій твердіючих клінкерних мінералів та цементних композицій залежать від кількості води замішування та геометричних параметрів датчика змінення об’єму Vм. Підвищення водов’яжучого відношення з В/В=0.32 до В/В=0.35 призводить до зміни V трьох- та двохкальцієвого силікатів в середньому на 19%, відповідно, C3A та C4AF в середньому на 15% і 41%, відповідно. Об’ємні деформації цементних композицій в цьому випадку знижуються в середньому на 20%. При збільшенні Vм=19см3 до Vм=26см3 відбувається зміна V мінералів-силікатів в середньому на 37%, алюмінату і алюмоферіту в середньому на 24%, цементних композицій в середньому в 2 рази.
6. Залежно від кількості двоводного гіпсу об’ємні деформації твердіючих цементних композицій можуть змінюватися в середньому від 8% до 23%.
Введення 10% кварцового наповнювача з Sуд=200м2/кг викликає зниження V цементної композиції на 20%, з Sуд=400м2/кг на 35%, з Sуд=600м2/кг на 44%. При збільшенні кількості наповнювача до 30% об’ємні змінення зменшуються на 27%, 43% та в 2 рази, відповідно. Збільшення питомої поверхні молотого кварцового піску призводить до зниження об’ємних деформацій цементної композиції в середньому на 11%.
При 10% кварцового наповнювача тріщиностійкість та міцність цементного каменю зростають. В’язкість руйнування підвищується на 13-37%, міцність при стиску – в середньому на 10%, міцність на розтяг при вигині – в середньому на 15%. Рівень властивостей цементного каменю залежить як від кількості наповнювача, так і від його питомої поверхні.
Аналіз кореляційної залежності між об’ємними деформаціями твердіючих систем та їх кінцевими властивостями показав, що зниження початкових V веде до підвищення тріщиностійкості та міцності затверділих цементних композицій. Коефіцієнти кореляції склали: для К1сз – 0.83, для К1ср – 0.85, для R 0.768, для Rbt 0.77.
7. По результатам досліджень визначено оптимальні по кількості двоводного гіпсу та кварцового наповнювача різної питомої поверхні склади цементного в’яжучого, які дозволяють отримувати матеріали з підвищеними в’язкістю руйнування і фізико-механічними характеристиками, а також матеріали із заданою міцністю при стиску (R=60МПа) при зниженні витрачання портландцементу на 30%, котрі рекомендовано для ремонтних, захисних та відбудовчих робіт.
Основні положення дисертації викладено у працях:
1. Коробко О.А., Выровой В.Н. Объемные изменения моно- и полиминеральных вяжущих в начальные периоды схватывания и твердения // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – Одеса: ВМК МІСТО МАЙСТРІВ. 2001. – № 3. – С.113-117.
Внесок здобувача – визначення кінетики і кількісних значень початкових об’ємних деформацій моно- та полімінеральних систем, а також викладення отриманих результатів.
2. Коробко О.А., Выровой В.Н., Закорчемный Ю.О. Анализ механизмов структурообразования наполненных цементных композиций // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: РДТУ. 2001. – № 6. – С.55-62.
Внесок здобувача – запропоновано та проаналізовано можливі механізми початкової організації структури моно- та полімінеральних систем залежно від складу часток дисперсної фази.
3. Коробко О.О., Виноградський В.М., Макарова С.С. Взаємозв’язок між вихідним складом, початковими об’ємними деформаціями та тріщиностійкістю цементних композицій // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: РДТУ. – 2001. – № 7. С.50-56.
Внесок здобувача – обґрунтування мети та задач досліджень, виконання експериментальних робіт, математична обробка одержаних результатів, аналіз впливу складу в’яжучого на об’ємні деформації та кінцеві властивості твердіючих цементних композицій, розрахунок кореляційної залежності між початковими об’ємними зміненнями та тріщиностійкістю і міцністю цементного каменю, визначення оптимальних по кількості та питомої поверхні кварцового наповнювача складів цементного в’яжучого, що сприяють підвищенню в’язкості руйнування і фізико-механічних властивостей матеріалів на основі портландцементу, а також зниженню їх матеріалоємкості.
4. Коробко О.А., Закорчемный Ю.О. Влияние состава на начальные объемные изменения и механические свойства цементных композиций // Совершенствование методов проектирования составов бетона. Ровно: Изд-во гос. центра научно-технической и экономической информации. 2001. – С.99-104.
Внесок здобувача – проведення експериментів, вивчення впливу кількості двоводного гіпсу та кварцового наповнювача різної питомої поверхні на початкові об’ємні змінення, тріщиностійкість та фізико-механічні характеристики цементного каменю, розрахунок математичних моделей, побудова багатофакторних діаграм.
5. Коробко О.А. Влияние состава на начальные объемные деформации твердеющего цемента // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – Одеса: ВМК МІСТО МАЙСТРІВ. 2000. – № 1. – С.100-103.
6. Коробко О.А. Влияние минералогического состава цементного клинкера на его объемные изменения в период твердения // Моделирование в материаловедении. – Одесса: “Астропринт”. 1998. – С.186-187.
АНОТАЦІЯ
Коробко О.О. Підвищення тріщиностійкості цементних композицій для ремонту будівельних конструкцій. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби. Одеська державна академія будівництва та архітектури. Одеса-2002.
Дисертація присвячена питанням підвищення тріщиностійкості та фізико-механічних характеристик цементних композицій за рахунок регулювання їх об’ємними зміненнями під час твердіння. Показана можливість керування початковими об’ємними деформаціями та властивостями цементного каменю шляхом введення у склад в’яжучого кварцового наповнювача різних кількості і питомої поверхні. Запропоновано механізми початкової організації структури цементних композицій залежно від складу їх вихідних часток. Визначені кількісні значення і кінетика виявлення об’ємних змінень твердіючих клінкерних мінералів, штучно синтезованих на їх основі полімінеральних систем різних складів та цементних композицій. Вивчено вплив кількості і питомої поверхні кварцового наповнювача на початкові об’ємні деформації, в’язкість руйнування та міцність цементного каменю. Проаналізована кореляційна залежність між зниженням об’ємних змінень твердіючих цементних композицій та підвищенням їх кінцевих властивостей. Визначені оптимальні склади цементного в’яжучого, які сприяють одержанню матеріалів з підвищеною тріщиностійкістю та зниженою матеріалоємкістю.
Ключові слова: об’ємні змінення, початковий склад, структуроутворення, тріщиностійкість, клінкерні мінерали, цементні композиції, кварцовий наповнювач.
АННОТАЦИЯ
Коробко О.А. Повышение трещиностойкости цементных композиций для ремонта строительных конструкций. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. Одесская государственная академия строительства и архитектуры. Одесса – 2002.
Данная диссертационная работа посвящена вопросам повышения трещиностойкости и физико-механических свойств цементных композиций за счет регулирования их объемными деформациями в период твердения.
Начальные объемные изменения можно считать отражением явлений и процессов структурной организации твердеющих неорганических вяжущих, определяющих комплекс свойств конечного материала. В диссертации показана возможность управления объемными деформациями цементных композиций путем введения кварцевого наполнителя различных количества и удельной поверхности.
Исходный состав вяжущего в значительной степени определяет условия протекания физико-химических и физико-механических процессов организации структуры твердеющих систем и, следовательно, величину и кинетику их объемных изменений. Для подтверждения этого были предложены и
