ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
ГРОМОВА ОЛЕНА ВЯЧЕСЛАВІВНА
УДК 666.97: 69.059.25
БЕТОНИ З ПІДВИЩЕНИМИ АДГЕЗІЙНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ ДЛЯ РЕМОНТУ ШТУЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ СПОРУД
Спеціальність 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту (ДІІТ) Міністерства транспорту України.
Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор Пшінько
Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівель та будівельних матеріалів, ректор, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту Міністерства транспорту України.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій та будівельних матеріалів, Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва Міністерства освіти і науки України;
кандидат технічних наук Бегун Олександр Іванович, доцент кафедри експлуатації гідромеліоративної системи та технології будівництва, Дніпропетровський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України.
Провідна установа:
Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра фізико-хімічної механіки та технології будівельних матеріалів і виробів, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться “28“ березня 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд.202
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а
Автореферат розісланий “24“ лютого 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Важливою ланкою в системі колійного господарства є штучні транспортні споруди. Основну частину навантаження на штучні споруди сприймають конструкції й елементи, що знаходяться у складних гідрогеологічних умовах. Цими елементами є опори мостів, палі, фундаменти штучних транспортних споруд. Значна частина з них знаходяться у незадовільному, зруйнованому стані. В той же час багато з відновлених бетонних елементів зазнали значних руйнацій вже через кілька років після ремонту. Про це свідчать періодичні та останні обстеження споруд.
Найбільша кількість руйнацій контактної зони, зниження довговічності і несучої здатності бетону масиву спостерігається при дії водного середовища. Під впливом надмірної динамічної напруги й агресивної дії навколишнього середовища окремі елементи транспортних споруд стають концентраторами напруги і в них розвиваються дефекти, які сприяють прискоренню руйнацій конструкцій і споруд. Взагалі, механічні ударні і впливи, що стирають (потоки води, які несуть тверді частки, дія судів), вплив агресивних речовин, розчинених у воді, а також участь продуктів метаболізму біологічних обростань та мікроорганізмів у корозії бетону – стають основними причинами, які ведуть до деструкції бетону і контактного шару в підводній зоні.
У зв'язку з цим значна частина транспортних споруд, що експлуатуються потребує капітального ремонту і захисту, з метою продовження терміну їх служби. Тому усунення руйнацій, які прогресують на стадії виявлення потребують прийняття радикальних заходів до вибору сумісних до старого бетону матеріалів для ремонту і засобів відновлення монолітності споруд. При цьому основним критерієм якості здійснення ремонту є надійне та довговічне зчеплення ремонтного бетону з бетоном старої кладки. Міністерством транспорту України вже розпочато здійснення програм відновлення і ремонту різноманітних штучних споруд, які забезпечують перехід транспортних магістралей через водні перешкоди.
Щонайчастіше для відновлення елементів бетонних споруд в підводній зоні застосовуються методи підводного бетонування.
Як показує досвід, використовувати цементні розчини і бетони традиційного приготування для підводних ремонтних робіт малоефективне, бо їх використання не забезпечує надійного зчеплення ремонтного шару з поверхнею існуючої кладки, що ремонтується. Відремонтовані цементними розчинами і бетонами традиційного засобу приготування конструкції не мають достатніх фізико-механічних й експлуатаційних властивостей, і через комплекс приведених вище впливів у підводній зоні не довговічні. При цьому матеріал у підводній зоні повинен мати високі показники і бути сумісним з бетоном старої кладки з міцності, водонепроникності, біостійкості, корозійної стійкості, деформативних характеристик, забезпечувати високе зчеплення з поверхнею старого бетону. Проведені дослідження показали, що всьому цьому комплексу вимог щонайкраще задовольняють бетони на основі активованої в'яжучої речовини. Фізико-хімічна єдність матеріалів та висока прониклива здатність активованого цементного тіста у пори, тріщини і пустоти старого бетону при підвищених фізико-механічних характеристиках ремонтного шару, забезпечує якісне та довговічне зчеплення при відносній дешевизні і не дефіцитності вихідних матеріалів.
Існують дослідні дані з структуроутворення і властивостей бетонів і розчинів на активованій в'яжучій речовині для надводної частини споруд, проте, ці дослідження в повній мірі не висвітлюють питання зчеплення і властивостей контактної зони, достатніх умов спільної роботи ремонтного шару зі старим бетоном, а також специфічні прийоми ремонту і відновлення транспортних споруд у підводній зоні. Відсутні нормативні методи контролю якості зчеплення ремонтного матеріалу з бетонною основою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дійсні дослідження виконані відповідно з госпдоговірною тематикою Міністерства транспорту України за темами: № 0199U001436 “Розробка складу бетонів, технології ремонту та закріплення підводних бетонних штучних споруд” (1999-2000 р.), № 0101U00047 “Розробка складів гідротехнічного бетону на активованій в'яжучій речовині” (2000-2001 р.), а також бюджетною темою № 0102V003583 “Розробка технології ремонту локальних пошкоджень підводних частин бетонних штучних споруд методом ін'єктування”. Змовником є Укрзалізниця. Автор є виконавцем робіт з розробки та дослідженню бетонів та розчинів на основі активованої в’яжучої речовини для ремонту транспортних споруд у підводній зоні.
Мета і задачі досліджень. Метою дисертації є розробка бетонів з підвищеними адгезійними властивостями, шляхом високоінтенсивної гідравлічної активації цементної системи для відновлення монолітності транспортних споруд при ремонтно-відбудовних роботах у підводній зоні.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі: –
аналіз процесів і причин порушення монолітності бетону, вибір ремонтних матеріалів і систем, а також визначення ролі зчеплення в загальній монолітності споруди;–
виявлення факторів та умов, від яких залежить величина зчеплення і розробка методу контролю якості зчеплення й оцінка його адекватності технологічним умовам;
– дослідження фізико-хімічних процесів формування контактної зони і зміни її показників при різноманітних умовах експлуатації;–
дослідження хімічної природи і фізико-механічних властивостей матеріалу в поверхневих прошарках старого бетону досліджуваних споруд;
– визначення умов достатнього заповнення пор і порожнин на поверхні старої кладки для підвищення міцності зчеплення й експлуатаційних характеристик нового ремонтного шару бетону;
– дослідження реологічних, фізико-механічних й експлуатаційних властивостей контактної зони і бетонів на активованій в'яжучій речовині при ремонті транспортних споруд у підводній зоні;
– дослідження деформативних властивостей бетонів на активованій в'яжучій речовині і визначення умов оптимального співвідношення деформативних властивостей ремонтного шару і бетону старої кладки для досягнення максимальної міцності та довговічності зчеплення;
– розробка та дослідження впливу технології бетонів на активованій в'яжучій речовині на якість зчеплення нового бетону з поверхнею старої кладки при ремонтно-відбудовних роботах у підводній зоні способом вертикально переміщуваної труби;
– оцінка економічної ефективності використання бетонів з підвищеними адгезійними властивостями для ремонту бетонних елементів штучних споруд у підводній зоні.
Об'єкт дослідження: властивості контактної зони і технологія бетонів на активованій в'яжучій речовині для ремонту транспортних бетонних споруд у підводній зоні.
Предмет дослідження: ремонтний склад бетону на активованій в'яжучій речовині для відновлення монолітності бетонів транспортних споруд при ремонтно-відбудовних роботах у підводній зоні.
Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі були проведені експерименти такими методами. Реологічні і технологічні властивості бетонів на активованій в'яжучій речовині визначалися шляхом визначення рухливості, зв’язності, текучості і в’язкості ремонтних сумішей. Дослідження міцності цементного каменю на активованій в'яжучій речовині проводилися шляхом випробувань його на стиск і вигин. Адгезійні властивості бетону на активованій в’яжучій речовині до поверхні старої кладки в залежності від різноманітних чинників та умов визначалися шляхом випробувань міцності на відрив та вигин. Співвідношення міцності нового бетону та бетону старої кладки і адекватність оцінки міцності зчеплення на відрив оцінювалися за допомогою скінчено-елементного аналізу розробленої моделі трьохшарового елементу. Дослідження фізичних і експлуатаційних властивостей ремонтного шару на активованій в'яжучій речовині проводилося шляхом дослідження його водопоглинання, водонепроникності. Деформативні властивості вивчалися шляхом визначення показника набрякання цементного каменю. Хімічна і біологічна стійкість бетонів на активованій в'яжучій речовині визначалася шляхом їхньої експозиції у сульфатному середовищі з концентрацією SO42- 10 г/л, а також у воді прибережної зони річки Дніпро.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
– встановлено, що причинами порушення монолітності бетону в підводній зоні під впливом умов експлуатації є відсутність конгруентності властивостей ремонтного шару властивостям основного бетону та дія агресивного зовнішнього середовища сукупно з надмірним динамічним навантаженням;–
розроблено скінчено-елементні моделі трьохшарового елементу, які відображають розподіл напруги в контактній зоні при різних співвідношеннях фізико-механічних показників ремонтного матеріалу та старого бетону, що дозволяє оптимізувати склад і властивості ремонтного бетону;–
встановлено, що підвищення адгезійних та фізико-механічних властивостей ремонтного шару може бути досягнуто шляхом гідравлічної активації в’яжучого з добавкою ОМК у спеціальному реакторі-активаторі при інтенсивності активації 40…50 м/с протягом 6…7 хв. Використання активованих сумішей для споруд в підводній зоні ефективно, за рахунок їх підвищеного зчеплення з поверхнею бетону в 2…3 рази вище, ніж у цементних розчинів і бетонів звичайного приготування, низького водопоглинання (1,5…2,5%), високої хімічної стійкості (Кс =0,91), та близьких з основним бетоном деформативних показників;–
визначено особливості формування контактної зони між ремонтним бетоном і бетонною поверхнею, які полягають у зміцненні міжфазного шару за рахунок кольматації порового простору старого бетону цементним тістом ремонтного бетону з утворенням хімічного з’вязку новоутворень активованого цементного в’яжучого з активованою механічних засобом бетонною поверхнею;–
встановлені основи ефективної фізико-хімічної взаємодії в контактній зоні старого бетону з ремонтним шаром, яка підвищується при використанні у складі ОМК добавки лігносульфонатів ПФМ-БС, а в якості мінерального компоненту - дисперсного наповнювача, відходу промисловості пилу газоочищення виробництва феросиліцію (ПГВФ) та кристалохімічного оптимізатора структуроутворення (Са(ОН)2+СаСl2) у співвідношенні мас. частин, %: 20:25:15 (патент України 34364 А).
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено склади бетонів з оптимальними адгезійними, деформативними і фізико-механічними властивостями для ремонту, відновлення і захисту бетону транспортних споруд у підводній зоні.
Встановлено критерій заповнюваності пор поверхні бетону старої кладки, оцінка стану поверхні старого бетону при проведенні ремонтних робіт за еталонами шорсткості.
Розроблено спеціальний метод контролю контактної міцності і доведена його адекватність технологічним умовам виробництва.
Встановлено оптимальне співвідношення фізико-механічних характеристик бетону старої кладки та ремонтного бетону, запропонована оцінка несучої здатності споруд до і після ремонту.
Розроблена і виготовлена промислово-експериментальна установка для активації цементної системи. Розроблено основи технології приготування й укладки під водою бетонів на активованій в'яжучій речовині способом вертикально переміщуваної труби.
Доведено економічну ефективність застосування бетонів на основі активованої в'яжучої речовини для ремонту, відновлення і захисту бетону транспортних споруд у підводній зоні від підвищення довговічності відремонтованих споруд і елементів та зниження витрат на їх утримання та поточний ремонт.
Результати практичних розробок знайшли застосування при відновленні та захисті аварійних ділянок бетону водоводу Дніпро - Західний Донбас в підводній зоні.
Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача складається з проведення аналізу причин виникнення і систематизації найбільш характерних видів дефектів штучних транспортних споруд і відновлених елементів при різноманітних умовах експлуатації. Виявлено умови і фактори, які впливають на міцність зчеплення нового бетону з поверхнею старої кладки [3]. Проведено дослідження хімічної і фізико-механічної природи поверхні старого бетону у різних умовах експлуатації. Проведено аналіз різних засобів підготовки поверхні і запропонована оцінка якості поверхні при проведенні ремонтних робіт. Запропоновано критерій заповнюваності пор і порожнин поверхневого шару бетону старої кладки й оптимальний розмір цементних часток ремонтного бетону. Досліджені процеси структуроутворення контактного шару, його властивості і процеси порушення контакту руйнуючим методом [4]. Розроблено спеціальний метод контролю міцності зчеплення нового бетону зі старим на відрив і встановлена його адекватність до технологічних умов методом скінчено-елементного аналізу [3]. Досліджені й оптимізовані реологічні, а також міцнісні властивості бетонів на активованій в'яжучій речовині за критерієм довговічності та сумісності з старим бетоном [2]. Досліджено структуроутворення, фізико-механічні, експлуатаційні і деформативні властивості, а також хімічна і біологічна стійкість контактної зони і ремонтних бетонів на активованій в'яжучій речовині при ремонті транспортних споруд у підводній зоні. Розроблено фізико-аналітичний засіб призначення складів бетонів на активованій в'яжучій речовині з добавкою ОМК [1, 6]. Розроблена і виготовлена промислово-експериментальна установка для активації цементної системи [7]. Запропоновано склади бетону на активованій в'яжучій речовині для відновлення бетону в підводній зоні [1] і розроблені основні положення технології бетонів на активованій в'яжучій речовині [7, 8] для проведення ремонтно-відбудовних робіт під водою способом вертикально переміщуваної труби [5, 8].
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на науково-практичному семінарі “Добавки в бетон. Система “Релаксол”” (м. Запоріжжя, 1999 р.), на науково-практичному семінарі “Енергосберегающие технологии цементов и бетонов” (м. Київ, 2000 р.), на науково-технічному семінарі “Армування ґрунту при будівництві, реконструкції, захисту будівель та споруд” (м. Вінниця, 2001 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Хімічні та мінеральні добавки в цементи та бетони” (м. Запоріжжя, 2002 р.), на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми бетону та його технології” (м. Київ, 2002 р.), на семінарах кафедр “Будівлі та будівельні матеріали” ДІІТ та “Технології будівельних матеріалів і конструкцій” ПДАБА (м. Дніпропетровськ, 1999-2001 рр.).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 6 наукових виданнях, які затверджені переліком ВАК України, по темі дисертації оформлені й отримані 2 патенти України [1-8].
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 232 сторінках, в тому числі 145 основного тексту і складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 167 найменувань, містить 62 таблиці, 81 рисунок та два додатки.
ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі наведено аналіз причинно-наслідкових зв’язків у процесі порушення цільності масивного бетону та відновлених елементів транспортних споруд. З проведеного аналізу випливає, що довговічність бетону транспортних споруд та відновлених елементів залежить від ряду факторів, характер яких обумовлений, з одного боку, технічною якістю проектних рішень та організацією проведення будівельних та ремонтних робіт, з іншого боку, умовами експлуатації, при яких виникає передчасне руйнування масиву бетону споруди та відновлених елементів, а також зниження їх несучої здатності. Найбільшим руйнівним впливам піддаються елементи споруд, які експлуатуються у складних гідрогеологічних умовах, під водою. Пошкодження у цій зоні пов’язані з порушенням цільності бетону і відновлених елементів при агресивному впливі води складного хімічного складу, яка діє у визначеному динамічному режимі і є найбільш небезпечними і важко усуваються.
Комплексна оцінка технічного стану транспортних споруд дозволила виділити характерні види і причини порушення цілісності транспортних споруд і їх елементів та призначити ефективні матеріали і засоби для видалення дефектів. При цьому основним критерієм якості ремонтних робіт є міцне і довговічне зчеплення ремонтного матеріалу з бетонною основою та їх сумісність.
З проблемою зчеплення нового бетону зі старим будівельники зіткнулися в перші ж роки зведення бетонних і залізобетонних споруд. Серйозному науковому дослідженню це питання піддалося з 20-х років нашого сторіччя у працях вітчизняних та закордонних вчених А.А. Байкова, А.П. Васильєва, Ц.Г. Гінзбурга, С.О. Дмитрієва, Л.А. Ігоніна, Є.В. Лавріновича, А. Лосьє, В.М. Мікульського, І.А. Савримовича, М.Б. Урьєва, М.С. Хуторянського, Р. Фере, Р.Г. Девіса, Н. Леві, К. Хагера, Е. Ненінга та ін. Значний вклад у розвиток напрямку технології ремонтних робіт з питань підвищення якості ремонту (зчеплення і сумісності ремонтного матеріалу зі старою поверхнею) внесли наукові дослідні праці сучасних фахівців В.О. Вознесенського, Є.Г. Годеса, В.І. Дмитревського, П.В. Кривенка, С.М. Курочкіна, О.М. Пшінько, Н.М. Руденко, Р.В, Рунової, В.Л. Чернявського, Д.Р. Моргана, Е.Н., Емберсона, Г.К. Мейса, В. Вілкінсона, М. Пегіона, М. Марозеки, та ін.
Аналіз фізико-хімічної природи і умов формування якісного контактного шару обумовили спеціальні вимоги до ремонтного матеріалу і технології проведення ремонтних робіт, які забезпечують цілісність бетону споруди і сумісну роботу матеріалів в складних умовах експлуатації. Доведено, що цементні бетони традиційної технології приготування для ремонту бетону у підводній зоні малоефективні і недовговічні через комплекс експлуатаційних впливів. Для вирішення поставлених задач треба використовувати комплексний підхід, з урахуванням властивостей бетону основи – старого бетону, для оптимізації фізико-механічних і адгезійних характеристик нового бетону для їх довговічної сумісної роботи.
Аналіз літературних джерел і попередні експерименти показали, що для вирішення проблеми найбільш ефективним для якісного ремонту є використання попередньої високоінтенсивної гідравлічної активації цементної системи бетонів, яка забезпечує поліпшення технологічних, адгезійних властивостей бетонних сумішей і підвищені фізико-механічні та експлуатаційні показники.
На підставі цього сформульована р о б о ч а г і п о т е з а дисертаційної роботи, яка полягає в наступному. Міцне зчеплення при відновленні монолітності транспортних споруд, їхній захист в підводній зоні може бути забезпечено застосуванням бетонів на активованій в'яжучій речовині за рахунок поєднання фізико-механічної диспергації цементної системи і хімічної взаємодії з органо-мінеральним комплексом (ОМК). Це приводить до поліпшення технологічних і фізико-механічних властивостей ремонтного бетону за рахунок зміни фізико-хімічної природи продуктів гідратації при збільшенні проникнення цементного тіста в пори і порожнини поверхневого шару бетону, ущільнення та зміцнення контактної зони.
В другому розділі зроблено вибір та визначено основні характеристики матеріалів, які використовувалися у дослідженнях. Використовувалися стандартні методи досліджень основних реологічних і фізико-механічних властивостей бетонів звичайного приготування та на активованій в’яжучій речовині, а також спеціально розроблена методика визначення величини зчеплення нового бетону зі старим на відрив. Обрано метод скінчено-елементного аналізу для оцінки технічного стану транспортних споруд, адекватності способу контролю якості зчеплення, визначення співвідношення фізико-механічних характеристик нового та старого бетонів для оптимізації складів ремонтного бетону. Використовувалися рентгенофазовий, мікроскопічний аналізи.
У третьому розділі виконано дослідження фізико-хімічної природи сил, які впливають на адгезійний зв’язок при різних схемах дії сил у контактній площині. Встановлено, що адгезія в чистому виді визначається при нормальній силі, що відриває, яка викликає нормальні напруги і виключає вплив шорсткості поверхні – при відриві.
На підставі виконаних досліджень розроблені геометрична і скінчено-елементна моделі трьохшарового елементу і доведена адекватність оцінки контактної міцності на відрив технологічним умовам (рис. 1) виробництва. Структура контактного шару складається з трьох складових: 1 – старий бетон; 2-а – ремонтний бетон; 3-я – контактний (проміжний) шар (товщиною 20...70 мкм).
Шляхом заміни контактного шару пружними вставками і поступового їх видалення вдалося змоделювати процес тріщиноутворення та руйнування контактної зони. При порівнянні дослідних даних з розрахунковими розглядалися поле осьової напруги, поле максимальної головної напруги, поле інтенсивності та поле продольних деформацій. Достовірність отриманих даних та їх відхилення від дослідних знаходяться в межах 8%. Це свідчить про достатню адекватність отриманих моделей. В якості результатів досліджень одержана серія комп’ютерних рисунків на основі аналізу яких встановлено, що прикладення напруги носить локалізований характер (принцип Сен-Венана) (рис. 2,б). При збільшенні напруги від стриженя вона поступово передається до сусідніх ділянок контактного шару. Деформації у контактному шарі зростають пропорційно до приросту напруги до визначеної межі, коли не спостерігається зріст деформацій при збільшенні напруги. В цьому випадку виникає гирло тріщини, яке спостерігається при видаленні половини пружних зв’язків по контуру від місця прикладення напруги в площині контакту (r=1,75...2 см), за реальних умов випробувань у цей момент відбувається миттєва руйнація контакту.
Контроль якості зчеплення здійснюється відносно місця відриву, яке буде характеризуватися найслабкішою ланкою у ланцюгу, т.б. у випадку впливу на відновлену конструкцію надмірної напруги сукупно з дією агресивного середовища, руйнування відбудеться чи у бетоні основи, чи у ремонтному шарі, а може і у зоні контакту цих двох шарів, в залежності від того в якій площині знаходиться елемент з найменшою здатністю витримувати прикладені напруги. В лабораторних умовах розрізняють чотири типи характерних видів руйнацій при
а) б)
Рис. 1. Геометрична (а) і скінчено-елементна (б) модель трьохшарового елементу
а) б)
Рис. 2. Поле максимальних головних (а) та поперечних деформацій (б) у
контактній зоні
випробуванні на відрив: 1 – когезійне відносно ремонтного матеріалу; 2 – когезійне відносно старого бетону; 3 – чисте адгезійне; 4 – змішане. Перші два типи характеризують якість матеріалів та технологію ремонтних робіт. Типи 3-4 – характеристика адгезійних здібностей ремонтного бетону. При оптимізації зчеплення при використанні у якості ремонтних матеріалів бетонів на активованій в’яжучій речовині спостерігається руйнування частково в межах трьох зон (складових) – змішане такий тип руйнування вважається за оптимальний для досягнення довговічності контакту та адгезійної міцності, т.б. міцність при вигині та відриві контактного шару наближається до міцності старого бетону.
Для якісного ремонту використовувався комплексний підхід. Ремонтна система з трьох складових розглядалася, як цілісна модель, яка є сукупністю властивостей складових з урахуванням факторів, здатних вплинути на якість ремонту на стадії проектування та проведення ремонтних робіт. Тому проведено всебічний аналіз фізико-хімічної природи контактного шару старого бетону споруд для розробки сумісних за фізико-механічними показниками бетонів з підвищеними адгезійними властивостями. Досліджено фізико-хімічні основи корозійних процесів у масиві старого бетону і контактному шарі підводної та надводної зон транспортних штучних споруд. Встановлено, що основним процесом руйнування бетону і порушення монолітності контактного шару є вплив водного середовища під напором з виносом структурного компоненту бетону – вапна. Цьому ж процесу сприяє участь продуктів метаболізму біологічних шарів у корозійному процесі старого бетону під водою (табл. 1). Це свідчить про необхідність підвищення непроникності ремонтного шару і контактної зони. Вважається, що частина вільного вапна (10...15 %) у цементі підлягає зв'язуванню кремнеземистим наповнювачем у важкорозчинні компоненти – низькоосновні гідросилікати кальцію.
Запропоновано використовувати ефект набрякання цементного каменю у воді для досягнення достатньої проникності цементного тіста у пори і порожнини поверхневого прошарку старого бетону для підвищення щільності структури ремонтного шару. Досліджено хімічний склад продуктів руйнації поверхневого шару старого бетону, який під водою характеризується підвищеним вмістом карбонатів, бактерій органічних і мінеральних кислот та продуктів їх метаболізму, в надводній зоні привалюючим є процес карбонізації поверхні. Крім того інтенсивність процесу руйнації та достатня проникність цементного тіста у пори і порожнини старого бетону залежить від пористості та середнього розміру пор на поверхні старого бетону. Дослідження показали, що поровий простір лабораторних зразків і вилучених з масиву кернів характеризується макропорами (r0,1 мкм) і середнім розміром пор на поверхні 20 мкм, водопоглинання зразків становить 7,5%. Тому запропоновано проводити оптимізацію дисперсності цементного в’яжучого за критерієм заповнюваності пор, який є одним з умов міцного та довговічного зчеплення:
, чи (1)
де – середній діаметр пор на поверхні старого бетону, мкм;
– розмір цементних часток ремонтного бетону, мкм.
Таблиця 1
Вплив стану поверхні підводного бетону на міцність зчеплення нового
бетону зі старим
Характеристика
елементу
споруди | Вид
обростань | Вид поверхні елементу споруди | Міцність масиву споруди,
МПа | Адгезійна міцність при відриві,
МПа
Зона змінного рівня води проміжної опори моста | балянус | природна | 27,5 | 1,75
очищена механічними пристроями | 3,35
очищена гідро-механічним засобом | 5,40
Підводна зона
проміжної опори моста | балянус | природна | 32,65 | 1,24
очищена механічними пристроями | 4,45
очищена гідро-механічним засобом | 5,8
Доведено, що проникнення цементного тіста ремонтного складу буде відбуватися за законом Пуазейля:
, (2)
де Q – об’єм цементного тіста, який проходить крізь капіляр за час ;
r – середній радіус пори;
Р – різниця тиску на кінцях капіляру;
l – глибина пори;
– в’язкість цементного тіста.
Крім структурних характеристик старого бетону на зчеплення нового бетону зі старою кладкою впливає вік та якість поверхні старого бетону. Вплив віку старого бетону на формування контактної міцності значний до одержання бетоном 70...100% проектної міцності, надалі вплив цього фактора незначний.
Необхідною умовою надійного зчеплення є повнота контакту нового бетону з поверхнею старої кладки. Тому на міцність зчеплення впливають фактори поверхні старого бетону: пори, порожнини, виступи, впадини, нерівності, які залежать від інтенсивності взаємодії старого бетону з навколишнім середовищем та різних видів підготовки поверхні до ремонту. Чим більше шорсткість поверхні, тим більше її активних центрів вступає у контакт з цементним тістом ремонтного бетону і адгезія зростає. Контроль стану поверхні здійснюється шляхом визначення середньої висоти елементів нерівностей бетонної поверхні (не менше п’яти характерних елементів нерівностей на базову довжину досліджуваного зразка). Оцінка якості поверхні відбувається за еталонами шорсткості з урахуванням того, що дійсна площа контакту Sд за рахунок різних елементів нерівностей перевищує відносно гладку площу Sо
. (3)
Тому підготовка поверхні старої кладки є основним технологічним етапом ремонтних робіт. Вона здійснюється механічним, гідравлічним, гідромеханічним – для підводних елементів, хімічним, механічним – для надводних засобом. За гідромеханічним засобом можна отримати високу ступінь підготовки поверхні і надійну міцність зчеплення, яка у 2...2,5 рази вище, ніж при зчепленні з природною поверхнею. Зменшенню напруги у контактній зоні, підвищенню зчеплення і повноті процесів гідратації та структуроутворення контактного шару сприяють водні умови тверднення та гігроскопічний стан старого бетону. За дослідними даними міцність зчеплення зразків, які тверділи у сухих умовах на 18...24% менша, ніж при твердненні у воді.
З урахуванням попередніх дослідних даних випробувань старого бетону у четвертому розділі проведено аналіз різних засобів підвищення адгезійної здібності цементного тіста нового бетону. Встановлено підвищення технологічних властивостей бетонної суміші та інтенсифікація процесів гідратації та структуроутворення при гідравлічному способі активації в’яжучої речовини. Розроблено і досліджено фізико-механічні й експлуатаційні властивості бетонів на активованій в’яжучій речовині і контактного шару. Встановлено істотне підвищення зчеплення і когезійної міцності при гідравлічному способі активації цементної системи (рис. 3, 4), при чому вказаний ефект доповнюється введенням у процесі активації в суміш органо-мінерального комплексу (ОМК – у співвідношенні компонентів мас. частин, %, 25:20:15), варіюванням вмісту активованого компоненту у бетонній суміші і параметрів активації. Сутність високоінтенсивної гідравлічної активації полягає у диспергації цементних часток від середнього розміру 20...50 мкм до 4...10 мкм, розщепленню довголанцюгових комплексів пластифікаторів і зміні
Рис. 3. Кінетика росту когезійної міцності цементного каменю різного ступеню активації
Рис. 4. Кінетика росту міцності зчеплення у часі в залежності від В/Ц цементного тіста та дисперсності цементу: 1 – S=700 м2/кг, В/Ц=0,3; 2 – S=500 м2/кг, В/Ц=0,3; 3 – S=300 м2/кг, В/Ц=0,3; 4 – S=700 м2/кг, В/Ц=0,4; 5 – S=500 м2/кг, В/Ц=0,4; 6 – S=300 м2/кг, В/Ц=0,4; 7 – S=700 м2/кг, В/Ц=0,5; 8 – S=500 м2/кг, В/Ц=0,5; 9 – S=300 м2/кг, В/Ц=0,5
морфології складу цементної системи за час 5...7 хв при зіткненні взаємозатоплених гідравлічних потоків в спеціальному реакторі-активаторі, з інтенсивністю активації 40...50 м/с, яка в 6...7 раз більша первинної.
Фізико-хімічна єдність ремонтного бетону на активованій в’яжучій речовині і бетонного елементу, що ремонтується призводить до інтенсифікації процесів структуроутворення на всіх стадіях зчеплення. Вже у перші години тверднення відбувається інтенсивний зріст пластичної міцності і ступеню гідратації цементної системи у контактній зоні з привалюючім вмістом низько основних гідросилікатів кальцію.
Встановлено, що проникність цементного тіста в пори старого бетону зростає з дисперсністю твердої фази до Sуд=500 м2/кг, яка характеризується переважно розміром часток 4...9 мкм, при інтенсивності активації 40...50 м/с (табл. 2) і терміну активації 6...7 хв. При збільшенні часу активації кількість дисперсної фази зростає з одночасним збільшенням нормальної густини і активності цементу, потім частки цементу агрегатуються у більш крупні, що призводить до підвищення в’язкості цементної системи і зменшення зчеплення.
Таблиця 2
Зміна гранулометричного складу цементів в залежності від параметрів активації
Інтенсивність активації, м/с | Гранулометричний склад цементного в’яжучого, dц мкм, %
менше 5 | 5…10 | 10…20 | 20…40 | більш, ніж 40
Без активації | 5 | 10 | 20…25 | 30..35 | 25
20 | 10 | 15…20 | 20…30 | 20 | 15…20
30 | 15…20 | 25 | 25 | 20 | 10…15
40 | 20 | 40 | 30 | 5…10 | 5
50 | 20…25 | 25…35 | 30…35 | 15 | 10
Недостатня кількість цементного тіста в зоні контакту зменшує величину зчеплення завдяки низької клейкої дії цементного тіста бетону жорсткої консистенції. Тому при переході від литої бетонної суміші (ОК=20...21 см) до пластичної ОК=10…14 см (з відповідним ростом когезійної міцності ремонтного бетону) міцність зчеплення знижується (рис. 5). Таким чином існує оптимальне водоцементне відношення для досягнення необхідної когезійної і адгезійної міцності рівне 0,45...0,5 (рис. 6).
Позитивна дія сумісної гідромеханічної активації цементної системи з хімічною взаємодією ОМК для якісного проведення ремонтних робіт під водою виражена також у зменшенні в’язкості з підвищенням інтенсивності активації до 40...50 м/с не залежно від складу і марки цементу, підвищенні пластичності, текучості 25…35 с і зв’язності цементної системи, яка характеризується водовідділенням у межах В=1,2…1,7%. Коефіцієнт збереження рухливості для ремонтних бетонів на активованому в’яжучому знаходиться в межах К=1,10…1,5 год.
Виконано дослідження пористості ремонтного бетону і контактної зони оптимальних режимів активації. Встановлено, що структура активованого цементного каменю відрізняється низькою пористістю (на 6...8% менша в порівнянні з бетоном традиційного приготування) і непроникністю завдяки зменшенню середнього радіуса пор при збільшенні об’єму продуктів гідратації. Незалежно від тепло-вологісних умов експлуатації та стану поверхні міцність зчеплення бетону на активованому в’яжучому у порівнянні зі звичайним бетоном перевищує у віці 3 доби – у 3,1...3,4 рази, а у віці 28 діб – у 3 рази (табл. 3).
Таблиця 3
Міцність зчеплення нового бетону з поверхнею, що ремонтується
Умови
тверднення | Вік зразків, діб | Міцність на відрив, МПа
звичайного бетону з
поверхнею | бетону на активованому в’яжучому з поверхнею
природною | очищеною | природною | очищеною
Нормальні
(у лабораторії),
2020 С | 3 | 0,42 | 0,64 | 1,2 | 1,45
7 | 0,64 | 0,75 | 1,89 | 2,31
28 | 1,81 | 2,12 | 3,44 | 5,14
+250 С | 3 | 0,66 | 0,75 | 1,89 | 2,76
7 | 0,84 | 0,97 | 2,65 | 3,45
28 | 1,84 | 2,13 | 3,89 | 4,75
+50 С | 3 | 0,52 | 0,73 | 1,3 | 1,7
7 | 0,64 | 0,93 | 2,04 | 2,87
28 | 1,93 | 2,5 | 3,23 | 4,19
У воді | 3 | 0,96 | 0,98 | 1,94 | 2,3
7 | 1,45 | 1,58 | 2,84 | 4,23
28 | 2,31 | 2,63 | 4,79 | 5,84
Встановлено, що введення ОМК у склад цементної системи дозволяє знизити величину деформацій до рівня значень основного бетону підводної зони, тому цементний камінь контактної зони і ремонтного шару буде однаково реагувати з основним бетоном на зміни умов експлуатації.
Рис. 5. Залежність відносної міцності зчеплення від консистенції ремонтного бетону і гігроскопічності поверхні старого бетону:
1 – у воді;
2 – волога поверхня
Рис. 6. Залежність когезійної та адгезійної міцності ремонтного бетону від В/Ц (марка цементу 500):
1 – когезійна міцність бетону після активації;
2 – адгезійна міцність бетону після активації;
3 – когезійна міцність бетону без активації;
4 – адгезійна міцність бетону без активації
Виконані дослідження фізико-механічних властивостей старого і ремонтного бетону дозволили одержати критерій сумісної роботи матеріалів і прогнозувати властивості контактної зони при різних умовах експлуатації. Встановлено, що для довговічної сумісної роботи ремонтного бетону і основного бетону когезійна міцність ремонтного бетону повинна дорівнювати чи бути більше міцності основного бетону, модуль пружності контактної зони та ремонтного бетону повинен бути трохи менше чи дорівнювати модулю пружності основного бетону .
Підвищення стійкості ремонтного шару на активованій в’яжучій речовині у різних середовищах забезпечується за рахунок зниження вмісту вільного вапна у цементному камені та зв’язування його у низькоосновні гідросилікати кальцію. Коефіцієнт сульфатостійкості для бетонів на активованому в’яжучому знаходиться у межах 0,86…0,91.
Випробуваннями на водонепроникність ремонтного бетону встановлено, що бетон на активованій в’яжучій речовині відповідає марці за водонепроникністю W8…12 в залежності від складу та значення В/Ц (рис. 7).
За результатами проведених досліджень можна відзначити, що ремонтному шару на активованій в’яжучій речовині у специфічних умовах експлуатації при агресивній дії навколишнього середовища та надмірної динамічної напруги гарантована висока довговічність. Встановлено, що розроблені бетони можна кваліфікувати, як ремонтний матеріал з підвищеними експлуатаційними та адгезійними властивостями для ремонту і захисту транспортних споруд в підводній зоні.
Рис. 7. Зміна проникності контактного шару від водовмісту суміші:
1 – бетон на активованому в’яжучому, В/Ц=0,4;
2 – бетон на активованому в’яжучому, В/Ц=0,5;
3 – звичайний бетон, В/Ц=0,4;
4 – звичайний бетон, В/Ц=0,5
В п’ятому розділі визначено оптимальні склади бетонів на активованій в’яжучій речовині, розраховані згідно з положеннями “Інструкції з розробки складів гідротехнічного бетону на активованій в’яжучій речовині для ремонту штучних споруд” (наказ Міністерства транспорту України №488 Ц від 04.09.2001 р.). Оптимізація складів для ремонту у підводній зоні виконувалася за критерієм довговічності та сумісності ремонтного бетону за фізико-механічними властивостями з основним бетоном (див. табл. 4).
Для забезпечення підвищення адгезійних властивостей бетонів на активованій в’яжучій речовині та ремонтного шару розроблено промислово-експериментальну установку (патент України 37980 А) для гідроактивації цементної системи, яка складається із реактора-активатора та потужного насоса. В дослідно-виробничому впровадженні перевірена наступна технологічна схема приготування бетонної суміші з попередньою активацією цементної системи.
Технологія приготування бетонів на активованій в’яжучій речовині складається з трьох етапів. На першому, підготовчому етапі, відбувається дозування вихідних матеріалів цементу та води в окрему ємність, їх інтенсивне перемішування (барботування) стислим повітрям протягом 1...3 хв. Окремо готується органо-мінеральний комплекс з частиною (30%) загальної кількості води з пластифікатором та мікронаповнювачем, до цієї суміші додається кристалохімічний оптимізатор структуроутворення (вапно-пушонка та хлористий кальцій). Всі компоненти ОМК також перемішуються (барботуються) стислим
Таблиця 4
Склади звичайних бетонів для ремонту штучних транспортних споруд
у підводній зоні
Дослідні
склади бетону, кг/м3 | ВВ/Ц | ОК,
см | В,
% | Тіку-чість,
с | К,
ч | Rб,
МПа | Rвідр,
МПа
Ц | В | П | Щ | ОМК
375 | 150 | 895 | 1030 | 55,2 | 0,4 | 17 | 1,4 | 35 | 1,35 | 52,3 | 4,7
317 | 143 | 634 | 1310 | 41,55 | 0,45 | 18 | 2 | 30 | 1,42 | 50,1 | 4,8
325 | 146 | 780 | 1156 | 55,25 | 0,45 | 18 | 1,8 | 28 | 1,45 | 51,5 | 5,1
350 | 168 | 945 | 987 | 59,5 | 0,48 | 19 | 1,7 | 25 | 1,5 | 49,6 | 5,3
345 | 165 | 875 | 1064,5 | 55,2 | 0,48 | 19 | 1,75 | 22 | 1,58 | 48,3 | 5,6
365 | 183 | 745 | 1162,25 | 58,4 | 0,5 | 20 | 1,5 | 20 | 1,62 | 46,2 | 5,5
330 | 165 | 559 | 1346 | 49,5 | 0,5 | 20 | 1,75 | 20 | 1,64 | 45,4 | 5,8
385 | 200 | 585 | 1280 | 57,75 | 0,52 | 21 | 1,2 | 18 | 1,65 | 44,8 | 5,2
повітрям від компресора. На другому етапі відбувається безпосередньо гідравлічна активація. Гомогенна суміш з цементу і води подається у реактор-активатор (1) і вмикається установка. Насосом (2) суміш перекачується по шлангах високого тиску (3) до розміщених одна напроти одної поворотних форсунок (4). Цементна суміш з високою швидкістю виштовхується крізь невеликий отвір форсунок і після співудару взаємозатоплених гідравлічних потоків утворює поле активаційних впливів. Через 2…3 хв від початку активації у активатор через отвір у кришці додається ОМК. Гідравлічна активація триває 6…7 хв. Після закінчення циклу активації перекривається ручний вентиль (5) і активована суміш зливається у приймальний бак (6) (див. рис. 8). На третьому етапі в залежності від того якого виду треба одержати ремонтну суміш, тобто цементне тісто, чи дрібнозернистий бетон, чи звичайний бетон, активовану цементну суміш перемішують у розчино- чи бетонозмішувачі гравітаційної дії з піском і крупним заповнювачем. Перед початком і після закінчення активації рекомендується промивати
