Кримська академія природоохоронного

та курортного будівництва

ДОРОФЄЄВ ОЛЕКСАНДР ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК 666.94.017

ФОРМУВАННЯ БУДІВЕЛЬНО-ТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ БЕТОНІВ

ЯК ГРУБОГЕТЕРОГЕННИХ МАТЕРІАЛІВ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СІМФЕРОПОЛЬ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Вировий Валерій Миколайович, завідувач кафедри Виробництва будівельних виробів і конструкцій Одеської державної академії будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Нікіфоров Олексій Петрович, ВАТ “Дніпропетровський науково-дослідний інститут будівельного виробництва”, перший заступник голови правління.

кандидат технічних наук, доцент

Шепляков Юрій Олександрович, Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва, доцент кафедри Технології будівельних конструкцій і матеріалів.

Провідна установа: Український Державний університет водного господарства та природокористування, кафедра технології будівельних виробів та матеріалознавства, Міністерство освіти і науки України, м. Рівне.

Захист відбудеться 17.02.2004 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 у Кримській академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: 95006, Україна, АР Крим, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, навчальний корпус 2, зал засідань ради.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кримської академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: 95006, Україна, АР Крим, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, навчальний корпус 2.

Автореферат розісланий 15.01.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 52.079.01,

канд. техн. наук, доцент Рубель О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Міцнісні і деформативні властивості та експлуатаційна надійність бетонів як грубогетерогенних матеріалів з поліструктурною організацією в значній мірі залежать від стану структурної неоднорідності типу “матричний матеріал (розчин, цементний камінь) – заповнювач”. У свою чергу стан цього типу неоднорідностей визначається взаємодією матричного матеріалу з поверхнею заповнювачів з утворенням внутрішньої поверхні розподілу (ВПР). ВПР утворюється одночасно з отриманням грубодисперсної системи і залежить від типу, кількості, розмірів та взаємного орієнтування заповнювачів. Твердіння матричного матеріалу супроводжується зміною його об’єму, яка проявляється на ВПР. Тому подальші перетворення ВПР обумовлюються рівнем адгезійно-когезійних сил зв’язку, який залежить від якісного і кількісного складів матеріалу матриці та градієнтів об’ємних деформацій, що визначаються геометричними параметрами системи (кількістю та орієнтуванням заповнювачів) Градієнти деформацій в тужавіючому матричному матеріалі призводять до розвитку та накопичення залишкових (початкових, технологічних, спадкових) деформацій та до порушення цілісності матричного матеріалу. Наявність в структурній неоднорідності “матриця – заповнювач” спадкових деформацій та технологічних тріщин визначають її стан та спроможність сприймати та перерозподіляти деформації, виникаючі під дією зовнішніх навантажень. У зв’язку з цим, важливою та актуальною слід вважати задачу керування процесами та явищами на границях розподілу з метою реалізації потенційних можливостей структурної неоднорідності типу “матриця – заповнювач”, що дозволить поліпшити міцнісні та деформативні характеристики бетонів як грубодисперсних систем.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені у дисертації дослідження теоретичного та прикладного характерів виконувалися відповідно до напрямку науково-дослідних робіт кафедри Виробництва будівельних виробів та конструкцій Одеської Державної академії будівництва та архітектури і відповідно до держбюджетних тем № 49 “Технологічна пошкодженість та її вплив на основні фізико-механічні властивості будівельних композитів” (1994-1996 р.р.) та № 69 “Технологічна пошкодженість та її вплив на властивості будівельних композиційних матеріалів та конструкцій” (1997-1999 р.р).

Мета роботи. Підвищення міцнісних та зниження деформативних властивостей бетонів за рахунок керування процесами формування структури на рівні структурної неоднорідності “розчин – заповнювач”.

Задачі досліджень:

1. Запропонувати та проаналізувати механізми формування поверхні розподілу тужавіючого матричного матеріалу з заповнювачами.

2. Проаналізувати вплив стану поверхні розподілу на процеси виникнення та розвитку локальних та інтегральних залишкових деформацій у макроструктурі бетону.

3. Вивчити вплив геометричних параметрів макроструктури та стану границі розподілу на механізми зародження і розвитку технологічних тріщин.

4. Проаналізувати вплив виду заповнювачів, стану їх поверхні та пошкодження макроструктури технологічними тріщинами на поведінку бетонів при навантаженні.

5. Вивчити вплив кількості цементу та стану поверхні щільних заповнювачів на зміну пошкоджуваності, міцнісних і деформативних характеристик бетонів.

6. Розробити рекомендації по модифікації заповнювачів.

Об’єкт досліджень: бетони на щільних та пористих заповнювачах.

Предмет досліджень. Вплив стану поверхні заповнювачів на формування механічних та деформативних властивостей бетонів.

Методи досліджень. Механізми організації структури аналізували на моделях структурних чарунок бетонів графоаналітичним методом та методом фотопружності. Для заміру об’ємних змін на границях розподілу тужавіючого матричного матеріалу з заповнювачами використовували спеціальні заповнювачі-датчики. Технологічні тріщини фіксувалися на поверхні зразків шляхом її обробки водяними розчинами танінів. Міцнісні та деформативні властивості бетонів визначали відповідно до діючих стандартів. Експериментально-статистичні моделі та їх інтерпретація були одержані у системі COMPEX (розробка кафедри Процесів та апаратів в технології будівельних матеріалів Одеської Державної академії будівництва та архітектури).

Наукова новизна отриманих результатів:

- вивчено вплив об’ємних змін тужавіючого матричного матеріалу на формування поверхні розподілу з заповнювачами;

- запропоновано та проаналізовано механізми формування локальних та інтегральних залишкових деформацій на рівні структурної неоднорідності “матриця – заповнювач” в залежності від рівня адгезійно-когезійних сил зв’язку на внутрішніх поверхнях розподілу;

- розкрито механізми зародження та розвитку технологічних тріщин у макроструктурі бетону;

- виявлено роль залишкових деформацій у перерозподілі деформацій, виникаючих в макроструктурі бетону при дії зовнішніх навантажень;

- експериментально підтверджено вплив стану поверхні заповнювачів на міцнісні та деформативні властивості бетонів;

- визначено оптимальні склади бетонів на модифікованих заповнювачах з поліпшеними міцнісними і деформативними властивостями та зниженим пошкодженням технологічними тріщинами.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані та проаналізовані механізми формування локальних і інтегральних спадкових деформацій та розподіл технологічних тріщин в бетонах на рівні структурної неоднорідності “матриця – заповнювач” дозволяють більш об’єктивно оцінити роль стану поверхні заповнювачів на структуроутворення та основні властивості бетонів.

В результаті комплексу проведених експериментально-теоретичних досліджень запропоновані склади бетонів на модифікованих заповнювачах з мінімальною кількістю технологічних тріщин, поліпшеними міцнісними та деформативними характеристиками при зменшеній кількості цементу. Розроблені технологічні схеми модифікації поверхні заповнювачів та приготування бетонних сумішей на їх основі.

Запропонований метод поліпшення якості бетонів був використаний при виготовленні фундаментних блоків та плит покриттів на ВАТ “Одестрансбуд”.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результаті досліджень отримані автором самостійно:

- огляд літературних примірників по впливу заповнювачів на структуру та властивості бетону, як складноорганізованого грубогетерогенного композиційного матеріалу;

- механізми формування залишкових деформацій та розподіл технологічних тріщин у макроструктурі бетону в залежності від стану поверхні заповнювачів;

- масив експериментальних результатів по впливу стану поверхні щільних та пористих заповнювачів на деформації важкого бетону та керамзитобетону під навантаженням;

- комплекс математичних моделей, які описують вплив виду заповнювачів та кількості цементу на зміну В/Ц сумішей, пошкодження бетону технологічними тріщинами, призмову міцність та деформативні характеристики бетонів;

- склади бетонів та технологічні схеми модифікації заповнювачів, що дозволяє отримувати бетони заданої міцності водночас з мінімальним початковим пошкодженням та поліпшених деформативних властивостях.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень були представлені на таких науково-технічних семінарах, конференціях та симпозіумах: - по проблемах теорії та практики залізобетону (Челябінськ, 1992; С.-Петербург, 1992; Білгород, 1993; Пенза, 1995; Новосибірськ, 1995; Іваново, 1995; Київ-Чернівці, 1996; Київ, 1996); - по проблемам моделювання у матеріалознавстві (Одеса, 1992; 1994; 1995; 1998; Київ, 1992, 1993, 2003).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 22 статей та тез доповідей, в тому числі, 6 у наукових збірниках. Решта – у збірниках науково-технічних конференцій та семінарів.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, основної частини (4 розділи), висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Дисертація викладена на 141 сторінках, з яких 104 сторінки основного тексту, 37 рисунків, 13 таблиць, список використаної літератури із 138 найменуваннями на 11 сторінках та двох додатків на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, розкрито їх наукову новизну, визначено практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію дисертації.

У першому розділі дається огляд відомих наукових робіт, в яких бетони на органічних та неорганічних в’яжучих з використанням щільних та ніздрюватих заповнювачів різної природи розглядаються як складноорганізовані грубогетерогенні композиційні матеріали.

Багаторівневий характер будови бетонів припускає співіснування в одному матеріалі різних за будовою, якісним та кількісним складами структурних груп. Це дозволило ввести масштабну шкалу для оцінки розмірів окремих складових (І.М.Ахвердов, П.Г.Комохов, О.В.Нехорошев) або виділити структурні неоднорідності із схожими механізмами структуроутворення (В.І.Соломатов, В.М.Вировий). Накопичений досвід вивчення властивостей бетонів показав, що вони неоднозначно визначаються властивостями їх складових (С.В.Александровський, Ю.М.Баженов, О.Я.Берг, Б.Н.Виноградов, С.С.Гордон, І.М.Грушко, А.Є.Десов, А.Б.Шейкін, В.М.Юнг, Невіль). При цьому відзначається (В.А.Матвієнко, А.Г.Ольгинський), що при взаємодії розчинової складової із заповнювачами утворюється прошарок модифікованого матеріалу на границі із заповнювачами, що приводить до необхідності його урахування при прогнозуванні властивостей бетону.

Формування структури та вивчення розподілу деформацій та напружень між окремими компонентами прийнято вивчати на моделях – структурних чарунок бетону. Прийняті моделі бувають плоскими і об’ємними, з одним або групою заповнювачів різних за формою, орієнтуванням і властивостями (Г.І.Горчаков, В.Лерміт, А.М.Підвальний). Вибір моделей обумовлюється поставленою метою аналізу, а їх використання дозволяє на якісному та кількісному рівнях описати та проаналізувати механізми різних взаємодій окремих структурних складових.

Проведений аналіз опублікованих наукових робіт дозволив віднести до важливої структурної характеристики бетонів, як грубогетерогенних матеріалів, внутрішню поверхню розподілу (ВПР), під якою мається на увазі поверхня розподілу поміж матричним матеріалом (розчином, цементним каменем) та заповнювачами. Обумовлюється це тим, що отримання ВПР проходить одночасно з одержанням бетонних сумішей, що, у свою чергу, обумовлює подальший їх вплив на формування таких структурних параметрів, як залишкових деформацій та технологічних тріщин. Аналізувати механізми формування ВПР і їх вплив на перерозподіл деформацій в тужавіючих грубогетерогенних матеріалах і утворення в них технологічних тріщин доцільно на моделях структурних чарунок. Це дозволяє описати процеси на якісному рівні, виділити характерний розподіл технологічних тріщин з подальшим підтвердженням якісних залежностей експериментальними результатами.

У другому розділі наведені характеристики використаних матеріалів та методи проведення досліджень.

Наведені основні параметри моделей структурних чарунок бетону: відстань між заповнювачами , яка виражалась через долю радіуса заповнювачів у вигляді дисків та їх орієнтування одне відносно одного.

При визначенні величини та напрямку деформацій на ВПР використовували спеціальні заповнювачі-датчики. В якості матричного матеріалу виступало цементне тісто, водоглиняна композиція та епоксидна смола типу ЕД-16.

Розподіл деформацій на ВПР при об’ємних змінах тужавіючих в’яжучих в залежності від геометричних характеристик моделей макроструктури бетону та від співвідношення адгезійної () та когезійної () міцностей (; ; ) аналізували графоаналітичним методом та методом фотопружності. Метод фотопружності використовували при аналізі залишкових деформацій та їх впливу на розподіл деформацій при дії зовнішніх навантажень.

Технологічні тріщини у зріючому бетоні фіксували за допомогою водяних розчинів танінів. Кількісну оцінку технологічних тріщин здійснювали за допомогою коефіцієнта пошкоджуваності , який визначався, як відношення загальної довжини технологічних тріщин , виявлених на площі , см/см2.

Модифікацію щільних заповнювачів та керамзиту проводили шляхом їх гідрофобізації кремнійорганічною емульсією ГКЖ-94 з концентрацією 0,25 г на 1 літр води. Після обробки заповнювачі перед вживанням висушували при Т = 397 К до постійної маси.

Властивості заповнювачів, бетонних сумішей, механічні та деформативні характеристики бетонів визначали за допомогою стандартних методик.

Для ефективної реалізації експериментів, їх технологічного аналізу і вибору оптимізаційних рішень в роботі використовувався метод експериментально-статистичного моделювання.

Третій розділ присвячений аналізу формування макроструктури бетонів.

Дослідження, проведені на моделях структурних чарунок бетону з використанням спеціальних заповнювачів, з різною відстанню між ними, при кубічному та гексагональному укладанні показали, що при об’ємних змінах тужавіючого матричного матеріалу різної природи (у нашому випадку, - цементне тісто з В/Ц = 0,32 та епоксидна смола типу ЕД-16) спостерігається збільшення ВПР, рис. 1.

Аналіз показав, що природа тужавіючого матричного матеріалу впливає на величину зміни площі ВПР без зміни якісної картини розподілу виникаючих при цьому деформацій. Прийнята методика кількісної оцінки зміни площі розподілу придатна для інтегрального визначення деформаційних процесів для випадку, коли когезійна міцність тужавіючого матричного матеріалу більша від його адгезії до поверхні заповнювачів (). Відомо, що формування макроструктури бетону залежить не тільки від абсолютних значень деформацій, але і від їх розподілу на ВПР. Розподіл деформацій на ВПР проводили графоаналітичним методом, що дозволило встановити його залежність як від геометричних характеристик макроструктури, так і від рівня адгезійно-когезійних сил зв’язку у тужавіючому матеріалі. При цьому встановлено, що у випадку, коли , заповнювачі практично не сприймають деформації зміни об’єму матриці. У випадках та відбувається нерівномірний розподіл деформацій між матеріалом матриці та заповнювачами.

Рис.1. Вплив природи тужавіючого матричного материіалу на величину змін ВПР.

а – матрица з цементних композицій; б – матрица з єпоксидної смоли

1 – h=0,2R; 2 – h=0,4R; 3, 3’ – в випадку порушення цілостності ВПР.

Подібну картину розподілу деформацій, в залежності від геометричних характеристик макроструктури та рівня взаємодії у системі “матриця – заповнювач”, отримано на моделях, виконаних з фотопружного матеріалу. Аналіз характеру розподілу дозволив встановити, що у будь-якій ділянці границі розділу виникають та розвиваються градієнти деформацій по величині та напрямку дії. Це може послужити причиною формозмін поверхонь розділу та розвитку деформацій зсуву, що може бути достатньою умовою порушення цілісності матеріалу матриці. Для підтвердження цього була проведена серія дослідів на моделях структурних чарунок бетону, в яких матричним матеріалом служили цементне та глиняне тісто. Досліди показали, що при різному часі появи тріщин та при різних ширинах їх розкриття спостерігається загальний характер їх розподілу у моделях макроструктури. Характер розподілу технологічних тріщин залежить від геометричних показників макроструктури та рівня взаємодії тужавіючого матричного матеріалу із заповнювачами, рис. 2.

Рис.2. Характер розподілу технологічних тріщин в моделі макроструктури бетону.

а – Rа > Rк; б – Rа < Rк; в – Rа = Rк.

1 – заповнювачі; 2 – матричний матеріал (цементний камінь); 3 – тріщини на границях розподілу; 4 – тріщини в матріці

При , першими з’являються тріщини зчеплення, на берегах яких, при наступних деформаціях, зароджуються тріщини, розвиток яких спрямований у периферійні дільниці матриці, рис. 2б.

Для випадку , тріщини виникають у дільницях розтягуючих деформацій, які розташовані в матриці між заповнювачами (рис. 2а). Подальший зріст таких тріщин залежить від градієнтів усадки в районі їх змикання.

У випадку вибіркової адгезії (), першими виникають тріщини зчеплення на дільницях ВПР з ослабленою адгезією і тріщини, нормальні до поверхні заповнювачів, у зоні переходу до підвищеного зчеплення із заповнювачами, рис. 2в.

Аналіз характеру розподілу тріщин на прозорих шліфах бетонів і розчинів підтвердив наявність тріщин зчеплення і тріщин в матричному матеріалі (розчини для бетонів і цементний камінь для розчинів). Крім цього, у моделях бетонів на щільних і ніздрюватих заповнювачах, як показав аналіз, проведений методами фотопружності, присутні інтегральні та локальні поля залишкових деформацій. До інтегральних віднесені поля деформацій, виникаючих на рівні структурної чарунки, а до локальних – на рівнях дільниць змін рельєфу поверхні заповнювачів.

Поля залишкових деформацій слід вважати параметрами стану макроструктури, від якого залежить розподіл деформацій між елементами структури грубогетерогенного матеріалу при дії зовнішніх навантажень. Це підтвердили досліди, проведені на моделях структурних чарунок бетону з різними геометричними характеристиками, при різних значеннях та . Якісний аналіз розподілу інтерферентних смуг у фоточутливих матеріалах моделей підтвердив, що технологічні деформації суттєво впливають на реакцію грубогетерогенного матеріалу на зовнішні дії.

У четвертому розділі вивчено вплив стану поверхні заповнювачів на деформації важкого бетону і керамзитобетону під навантаженням, вплив кількості модифікованих заповнювачів на зміну В/Ц при однаковій рухливості бетонних сумішей, міцнісні та деформативні властивості бетонів, коефіцієнти їх пошкодження, визначено оптимальні склади бетонів, які забезпечують підвищення міцності при різних деформативних характеристиках, запропоновані технологічні схеми модифікації заповнювачів.

Наявність таких параметрів макроструктури, як технологічні тріщин з певним характером розподілу і технологічні деформації, повинні впливати на деформативні властивості бетонів. При однакових геометричних характеристиках макроструктури бетонів досить ефективним методом регулювання розподілу тріщин і залишкових деформацій слід вважати, як показали проведені досліди, регулювання стану поверхні заповнювачів. Для перетворення гідрофільної поверхні щільних великих та дрібних заповнювачів та керамзитового гравію у гідрофобну, їх обробляли добре вже себе зарекомендувавшою для цієї цілі кремнійорганічною сполукою ГКЖ-94 0,25 г на 1 л води. Це дозволило перейти від ситуації до ситуації . Зміна взаємодії тужавіючого матричного матеріалу із заповнювачами привела до зміни коефіцієнтів пошкодження. Так, для бетону на щільних заповнювачах, пошкодження технологічними тріщинами зменшилось з = 0,83 см/см2, для бетонів на звичайних заповнювачах – до = 0,66 см/см2. Характерно, що на гідрофобізованих щільних заповнювачах і керамзитового гравію досяг одного рівня, що підтверджує раніше зроблений висновок, що при заповнювачі практично не сприймають деформації тужавіючого в’яжучого. Зменшення пошкодження бетонів веде до змін їх деформацій під навантаженням і до зменшення розбіжностей значень деформацій окремих зразків (між собою зрівнялись значення по шести зразках-близнюках), рис. 3.

Для одержання кількісних залежностей впливу стану поверхні заповнювачів та складу розчинної складової, як фактору, впливаючого на об’ємні зміни тужавіючого матричного матеріалу, був проведений двохфакторний експеримент, в якому змінювались: кількість модифікованих щільних великих та дрібних заповнювачів, = 50 ± 50 % та кількість цементу в бетоні, = 350 ± 50 кг/м3. Бетонні суміші були однакової рухливості, ОК = 2...3 см. Контролювали зміну В/Ц, міцність при стиску , призмову міцність , модуль початкових деформацій , динамічний модуль і коефіцієнт пошкодження . Після проведення всіх дослідів були розраховані коефіцієнти моделей впливу прийнятих факторів на контрольовані властивості з похибкою, що не перевищувала 5 %. Розрахунок коефіцієнтів математичних моделей і побудову їх геометричних образів проводили в системі COMPEX, розробленій професором Вознесенським В.А.

Використання модифікованих заповнювачів дозволяє знизити В/Ц сумішей за умови ОК = const = 2...3 см, у середньому, на 30 %. В умовах проведення дослідів, та зростали, у середньому, на 40 % за рахунок гідрофобізації заповнювачів, при зниженні на 30 %.

Зменшення призводить до поліпшення деформативних властивостей бетонів. В залежності від кількості цементу,та зростають за рахунок використання модифікованих заповнювачів від 7 до 20 %. Коефіцієнти кореляції впливу на зміну склав = 0,6, а для - = 0,8.

Рис.3. Вплив стану поверхні заповнювачів на деформації бетонів під навантаженням.

а – гідрофобізовані заповнювачі; б – звичайні заповнювачі.

- бетон на щільних заповнювачах; - - - - - керамзитобетон.

1…6 – номери зразків важкого бетону; 1(к)…6(к) – номери зразків

керамзитобетону

Суміщення діаграм та в рецептурних координатах дозволяє одержати склади бетонів, виходячи з умов зміни при - const, або зміни при - const, рис. 4.

Рис. 4. Суміщена діаграма впливу модифікованих заповнювачів і

кількості цементу на та .

Ц -витрата цементу, кг/м3

Для впровадження отриманих результатів були розроблені технологічні схеми модифікації заповнювачів та технологічні режими модифікації методами занурення та зрошення. Впровадження методу зрошення на підприємстві ВАТ “Одестрансбуд” дозволило відмовитися від додатків-пластифікаторів при збереженні рухливості бетонної суміші ОК = 2...3 см та зменшити кількість цементу до 50 кг/м3.

Відмова від додатків-пластифікаторів та зменшення кількості цементу компенсували витрати на модифікацію заповнювачів. При однаковій ціні рекомендовані склади бетонів забезпечують зниження на 20 % та підвищення на 30 %. Бетони класів В20 були використані при виготовленні при виготовленні плит покриттів на підприємстві ВАТ “Одестрансбуд”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.Проведений комплекс досліджень показав, що міцнісні та деформативні властивості бетону як грубогетерогенного матеріалу, в значній мірі, залежать від параметрів макроструктури, яка представлена структурною неоднорідністю типу “матриця – заповнювач”. У свою чергу, формування макроструктурних параметрів визначається геометричними характеристиками макроструктури (кількістю та орієнтуванням заповнювачів) і взаємодією тужавіючого матричного матеріалу з поверхнею заповнювачів. Як показали проведений аналіз механізмів організації структури та експериментальні дослідження, поліпшити міцнісні та деформативні властивості бетонів можливо за рахунок регулювання рівня адгезійних сил зв’язку на границі розподілу матричного матеріалу з поверхнею заповнювачів.

2. Поверхня розподілу між матрицею (розчином, цементним каменем) та заповнювачами утворюється одночасно із створенням бетонної суміші. Як показав проведений аналіз, об’ємні деформації тужавіючого матричного матеріалу проявляються на ВПР і, в залежності, від адгезійно-когезійних сил зв’язку, перерозподіляють деформації в макроструктурі. Розподіл власних об’ємних деформацій тужавіючого матеріалу різної природи залежить від геометричних характеристик системи і співвідношення та матеріалу матриці. Для всіх проаналізованих випадків зміни геометричних характеристик і умов взаємодії матриці із заповнювачами ( і і ) виникають та розвиваються градієнти деформацій на ВПР, в матричному матеріалі та заповнювачах.

3. Проведений аналіз показав, що градієнти деформацій викликають локальну зміну щільності матричного матеріалу, що зумовлює локальні та інтегральні поля залишкових (початкових, технологічних, спадкових) деформацій в макроструктурі. Технологічні деформації, які залежать від складу бетонної суміші та технологічних умов її переробки у вироби, впливають на перерозподіл деформацій, виникаючих у макроструктурі при дії зовнішніх навантажень. Залишкові місцеві та загальні деформації слід розглядати як структурні параметри, що характеризують стан макроструктури, і які слід враховувати при дії на грубогетерогенні матеріали експлуатаційних навантажень.

4. Виникаючі градієнти деформацій при взаємодії тужавіючого матричного матеріалу із заповнювачами слід вважати основною причиною порушення цілісності макроструктури. Проведений аналіз показав, що характер розподілу тріщин залежить від геометричних характеристик макроструктури та рівня взаємодії матриці із заповнювачами. У загальному випадку, можливо виділити: тріщини зчеплення, які можуть розвиватися по всій ВПР або на окремих її ділянках; тріщини в матричному матеріалі, розташовані на рівній відстані від поверхонь заповнювачів; тріщини в матричному матеріалі, які замикаються на берегах інших тріщин або на заповнювачах. Ці тріщини класифікуються як технологічні тріщини, оскільки їх зародження та розвиток слід вважати складовою частиною загального процесу формування макроструктури гетерогенного матеріалу, і вони являють собою параметри на рівні неоднорідності “матриця – заповнювач”, а також, нарівні з технологічними деформаціями, визначають поведінку грубогетерогенних матеріалів в умовах експлуатаційних навантажень.

5. Проведені дослідження показали, що модифікація поверхні щільних та ніздрюватих заповнювачів (перехід від ситуації до ситуації ) дозволяє знизити пошкодження бетонів технологічними тріщинами у 1,2…1,4 рази, що призводить до підвищення міцності та зниження деформацій під навантаженням, зниження їх розбіжностей, у середньому, в два рази. Аналіз показав, що тріщини, співмірні з розмірами структурної неоднорідності “матриця – заповнювач”, слід враховувати при призначенні методів визначення деформацій бетонів під навантаженням.

6. Експериментальні дослідження показали, що при зміні витрати цементу та кількості модифікованих заповнювачів, як способів керування процесами формування макроструктури, пошкодження бетонів зменшується від = 0,83 см/см2 до = 0,66 см/см2, що веде до підвищення до 40 %, і до 20 %. Це дозволяє визначити склади бетонів, які відповідають заданим вимогам по міцності з різними значеннями та .

7. За результатами досліджень визначені оптимальні склади бетонів на модифікованих заповнювачах, розроблені технологічні схеми модифікації заповнювачів та приготування бетонних сумішей на їх основі. Запропоновані склади бетону використані при виробництві 759 м3 фундаментних блоків ФБС та 160,5 м3 панелей покриттів на підприємстві ВАТ “Одестрансбуд”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Вировий В.М., Дорофєєв В.С., Дорофєєв О.В. Композиционные строительные материалы как сложноорганизованные системы. Зб. наук. праць “Современные строительные конструкции из металла и древесины” - Одеса: ОДАБА, 1995. – С. 167-171.

Внесок здобувача – запропоновано розглядати бетони як складноутворені системи з різними механізмами організації структури.

2. Вировий В.М., Виноградський В.М., Дорофєєв О.В. Технологическая наследственность и ее влияние на свойства и ресурсоемкость строительных композитов. Зб. наук. праць “Строительные материалы, конструкции и инженерные системы” – Одеса: ОДАБА, 1996. – С. 186-202.

Внесок здобувача – досліджено вплив рецептурно-технологічних параметрів на матеріалоємність матеріалів та будівельних конструкцій.

3. Дорофєєв А.В., Вировий В.Н., Арроб А. Влияние заполнителей на структурообразование и формирование свойств бетонов. Зб. наук. праць “Строительные материалы, конструкции и инженерные системы” – Одеса: ОДАБА, 1998. – С. 91-92.

Внесок здобувача - досліджено вплив видів заповнювачів на властивості бетонів.

4. Дорофєєв А.В., Вировий В.Н., Арроб А. Механизмы формирования технологических трещин и изучение их влияния на свойства строительных композитов. Зб. наук. праць “Строительные материалы и конструкции”. – Одеса: Місто майстрів, 1999. – С. 25-28.

Внесок здобувача – розкритий механізм зародження технологічних тріщин та визначений їх вплив на властивості бетонів.

5. Дорофєєв О.В., Вировий В.М., Макарова С.С. Анализ механизмов формирования макроструктуры бетонов. “Вісник ОДАБА”, вип. № 7 – Одеса: ОДАБА, 2002. – С. 47-53.

Внесок здобувача – розкритий механізм формування структури бетонів на неоднорідності типу “матриця – заповнювач”.

6. Дорофєєв О.В., Вировий В.М. Влияние макроструктурных параметров на деформативные характеристики бетонов. “Вісник ОДАБА”, вип. № 8 – Одеса: ОДАБА, 2002. – С. 40-47.

Внесок здобувача – досліджено вплив стану поверхні щільних та ніздрюватих заповнювачів на деформації бетонів під навантаженням.

7. Дорофєєв О.В. Анализ влияния остаточных деформаций на поведение бетона под нагрузкой. “Вісник ОДАБА”, вип. № 10 – Одеса: ОДАБА, 2003. – С. 61-67.

8. Вировий В.М., Фіц С., Дорофєєв О.В. Характер распределения технологических трещин в грубогетерогенных материалах. Зб. наук. праць “Композиційні матеріали для будівництва. Вісник Донбаської Державної академії будівництва та архітектури”, вип. № 2003-1(38). – Макіївка: ДонДАБА, 2003. – С.161-164.

Внесок здобувача – визначено вплив стану внутрішніх поверхонь розподілу на формування залишкових напруг і розподіл технологічних тріщин у грубогетерогенних матеріалах.

Анотація

Дорофєєв Олександр Віталійович. Формування будівельно-технічних властивостей бетонів як грубогетерогенних матеріалів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби. – Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, Сімферополь, 2003 р.

Дисертація присвячена питанням підвищення міцності при зниженні деформацій під навантаженням шляхом керування процесами організації структури на рівні неоднорідності типу “матриця – заповнювач” за рахунок змін геометричних характеристик макроструктури та сил зв’язку на границях розподілу між складовими.

Аналіз механізмів структуроутворення бетонів дозволив визначити такі структурні параметри, як: стан макроструктури, який характеризується розподілом залишкових інтегральних та локальних деформацій, та розподіл технологічних тріщин в залежності від типу взаємодії тужавіючого матричного матеріалу із заповнювачами. Це дало змогу запропонувати попередню модифікацію заповнювачів (в нашому випадку, - перехід від ситуації до ситуації ).

Проведені досліди показали, що керування структуроутворенням бетонів дозволяє знизити їх пошкодження технологічними тріщинами та підвищити міцнісні характеристики, початковий модуль та модуль деформацій. Запропоновані методи керування процесами структуроутворення бетонів на рівні “матриця – заповнювачі” шляхом модифікації поверхні заповнювачів вписуються в існуючі технології приготування бетонних сумішей.

Ключові слова: грубогетерогенні матеріали, градієнти деформацій, внутрішня поверхня розподілу, залишкові деформації, технологічні тріщини.

Аннотация

Дорофеев Александр Виталиевич. Формирование строительно-технических свойств бетонов как грубогетерогенных материалов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Крымская академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь, 2003 г.

Диссертация посвящена вопросам повышения прочностных свойств при снижении деформаций бетонов под нагрузкой путем управления процессами организации структуры на уровне неоднородности типа “матрица – заполнитель” за счет изменения геометрических характеристик макроструктуры и сил связи на границах раздела между составляющими.

Свойства бетона как грубогетерогенного материала определяются не только индивидуальными свойствами его составляющих (заполнителей и матричного материала), но и их взаимодействием. Взаимодействие матричного материала с заполнителями осуществляется через внутреннюю поверхность раздела (ВПР), под которой понимается граница раздела между материалом матрицы (раствор для бетонов, цементный камень для растворов) и заполнителями. ВПР образуется одновременно с получением бетонных смесей, что предполагает дальнейшее ее участие в процессах организации структурной неоднородности на уровне “матрица – заполнитель” (макроструктура бетона).

Анализ механизмов организации макроструктуры проводили на моделях структурных ячеек бетона графоаналитическим методом и методом фотоупругости. Экспериментальные исследования показали, что при уменьшении объема твердеющего матричного материала происходит увеличение площади ВПР. Анализ распределения усадочных деформаций позволил установить их неравномерное распределение по ВПР, которое зависит от геометрических характеристик макроструктуры (расстояния между заполнителями и их ориентирования друг относительно друга). Кроме геометрических характеристик, как показал анализ, на распределение деформаций оказывает влияние соотношение адгезионной и когезионной прочностей твердеющего материала матрицы. Возникающие при этом градиенты остаточных (технологических, начальных, наследственных) деформаций оказывают существенное влияние на распределение деформаций, возникающих при действии внешних нагрузок. Поля интегральных и локальных начальных деформаций предложено отнести к параметрам, которые характеризуют состояние макроструктуры.

Градиенты деформаций следует считать одной из основных причин нарушения целостности твердеющего матричного материала. Анализ, проведенный для случаев и показал, что в макроструктуре могут возникать трещины сцепления и трещины, образованные на берегах трещин сцепления и направленные в матрицу (); трещины в матричном материале между заполнителями (); трещины сцепления и трещины, нормальные к поверхности заполнителей (). Таким образом, изменяя уровень взаимодействия матричного материала с заполнителем, можно управлять уровнем состояния макроструктуры и характером распределения в ней трещин, что должно сказаться на изменении свойств бетонов как грубогетерогенных материалов.

Одним из способов снижения адгезии к плотным и пористым заполнителям является их предварительная гидрофобизация. В нашем случае, плотные заполнители и керамзитовый гравий обрабатывались водной эмульсией ГКЖ-94, с концентрацией 0,25 %, что позволило перейти от случая к ситуации . Изменение условий организации макроструктуры привело к снижению поврежденности бетонов от = 0,9 см/см2 для керамзитобетона и = 0,83 см/см2 для тяжелого бетона до = 0,66 см/см2 как для тяжелого, так и для керамзитобетона. Снижение поврежденности бетона технологическими трещинами привело к повышению прочностных характеристик до 20 %, снижению деформаций под нагрузкой – до 40 % и уменьшению разброса результатов в серии из шести образцов в 1,8 раза.

Для получения количественных зависимостей влияния модифицированных плотных заполнителей () и состава растворной части путем изменения количества цемента ( кг/м3) был проведен двухфакторный эксперимент. Контролировали изменение В/Ц смеси при постоянной подвижности, призменную прочность, коэффициент поврежденности, модуль начальных деформаций и динамичный модуль упругости. Реализация всех опытов позволила получить математические модели контролируемых параметров и провести их технологическую интерпретацию и оптимизацию составов по заданным критериям. Изменение взаимодействия на уровне “матрица – заполнитель” позволяет, в нашем случае, снизить В/Ц, в среднем, на 30 %, повысить прочностные свойства до 40 % при снижении до 30 %. При этом и увеличиваются на 20 %. Совмещение диаграмм прочности и начального модуля упругости позволили определить составы, исходя из условий изменения при , или изменения при .

На основе проведенных исследований предложены и реализованы технологические схемы модификации заполнителей. Предложенные составы внедрены на ОАО “Одестрансстрой” при производстве фундаментных блоков и панелей покрытий. При равной стоимости с базовыми предложенные составы позволяют снизить расход цемента на 50 кг/м3, снизить поврежденность изделий технологическими трещинами и на 25 % повысить .

Ключевые слова: грубогетерогенные материалы, градиенты деформаций, внутренняя поверхность раздела, остаточные деформации, технологические трещины.

Annotation

Dorofeev A.V. Formation building technical properties of concretes as heterogeneous materials. – Manuscript.

The thesis is aimed at getting a scientific degree of a candidate of technical science on a specialty 05.23.05 – Building materials and articles. – Crimea academy of ecological and recreating building, Simferopol, 2003.

The dissertation dedicated to the problems increase strength of concretes by on lower the deformations under load by the control over their structure on the level “matrix – filler”. In this thesis been shows the possibility to regulation properties of concretes by change the geometrical characteristics of their macrostructure and the strength of tie on the dividing surface between hardening material and fillers.

The distribution of remain integrated and local deformations and technological cracks in dependence on type interaction the hardening matrix material with fillers defines state of macrostructure of concretes. On the basis of that has been offered to modify the fillers in course of making concrete mix.

The regulation of formation structure of concretes conduced to lowering their technological injury and increase their strength characteristics, modules of initial deformations and concrete modules.

Methods of regulation of formation structure of concretes on the level “matrix – filler” by modification surface of fillers, which was offered, enters in existent technologies of making concrete mixes.

Key words: heterogeneous materials, gradients of deformations, interior dividing surface, remain deformations, technological cracks.