донбаська державна академія

будівництва і архітектури

пунагін Володимир Володимирович

УДК 666.972.5

Безпрогрівна технологія бетонів спеціального

призначення

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті ім. Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Руденко Наталія Миколаївна, Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля, завідувач кафедри будівництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Савін Лев Сергійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ), професор кафедри екології;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство “Дніпропетровський науково-дослідний інститут будівельного виробництва”.

Захист відбудеться “26” лютого 2004 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської державної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус № 1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “26” січня 2004 р.

Вчений секретар cпеціалізованої вченої ради,

доктор хімічних наук, професор Висоцький Ю.Б.

Актуальність теми. Найбільш розповсюдженим способом прискорення тверднення бетону є прогрів виробів, який здійснюється у заводських умовах у пропарювальних камерах, а при зведенні монолітних споруд застосовуються електропрогрів або термоактивний лаштунок.

Процес теплової обробки при сучасному рівні будівництва має два істотних недоліки. По-перше, висока частка енерговитрат у структурі собівартості залізобетонних конструкцій, складаючи в середньому 1,89 ГДж/м3 залізобетону з витратою 154 м3 природного газу. Другим і основним недоліком впливу теплової обробки є збільшення дефектності структури бетону, розвиток мікротріщиноутворення з ростом внутрішніх напружень і, як наслідок, значне погіршення експлуатаційних характеристик залізобетонних конструкцій.

Одним із найбільш перспективних напрямків технічного прогресу у технології бетону є створення умов для формування упорядкованої структури цементної матриці без теплової обробки бетону. Така технологія вимагає якісно нового підходу, здатного забезпечити реалізацію в'яжучого потенціалу цементу і, як наслідок, максимальну міцність бетону.

Актуальність проведених досліджень полягає у розробці безпрогрівної технології бетонних і залізобетонних виробів і конструкцій спеціального призначення – масивних та таких, що експлуатуватимуться в умовах дії агресивного середовища. Підвищення експлуатаційних характеристик бетону забезпечується застосуванням фізико-хімічної активації в'яжучої речовини, що дозволяє істотно заощаджувати енергоресурси і найдорожчий компонент бетону цемент за рахунок збільшення його в'яжучого потенціалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася у рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки в Україні (постанова Верховної Ради України № 1359-XIY від 24.12.1999 р.). Автор брав участь в експериментально-теоретичних дослідженнях.

Мета роботи: розробка безпрогрівної технології бетонів спеціального призначення, основу якої складає фізико-хімічна активація в'яжучої речовини, що забезпечує формування просторової кристалогідратної структури цементної матриці бетону.

Задачі досліджень:

·

·

·

·

·

·

Об'єкт дослідження – безпрогрівна технологія бетонів спеціального призначення на основі фізико-хімічної активації цементної системи.

Предмет дослідження – бетони спеціального призначення з високими експлуатаційними характеристиками.

Методи дослідження. Для одержання безпрогрівних бетонів спеціального призначення використаний реактор-активатор, що забезпечує фізико-хімічну активацію цементної системи з розвитком процесів хімічної взаємодії гідратних новоутворень в'яжучої речовини з компонентами органо-мінерального комплексу. Дослідження процесів гідратації і структуроутворення пропарених і активованих цементних систем проводилися за допомогою рентгенофазового і диференційно-термічного аналізу. Дослідження рідкої фази цементної системи проводилися хімічними методами. Аналіз структурних параметрів цементного каменя і бетону проводився по адсорбції пар води. Властивості цементних систем і бетонів досліджувалися стандартними і спеціальними методами.

Наукова новизна отриманих результатів:

·

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено технологію безпрогрівних бетонів спеціального призначення, що дозволяє використовувати звичайні цементи з підвищеним в'яжучим потенціалом; зведення будинків і споруд можливо як монолітним способом, так і з використанням залізобетонних конструкцій заводського виготовлення;

- розроблено пневмоструминну технологію бетонних і залізобетонних виробів, при якій використовується кінетична енергія маси, що рухається, виключається процес приготування бетонної суміші і з'являється можливість формування виробів складної конфігурації;

- впроваджено результати досліджень в об'єднанні “Гідромонтажспецбуд” (м. Дніпропетровськ), де випущено партію залізобетонних елементів колодязів. Бетонна суміш на активованій в'яжучій речовині використовувалася при ремонті аварійних гідротехнічних споруд. Виготовлено 380 м3 залізобетонних конструкцій підсилення М 700 відстійних басейнів, загальна площа відновлених залізобетонних резервуарів склала більш 1700 м2;

- визначено техніко-економічну ефективність роздільного бетонування; сумарний економічний ефект склав близько 98 тис. грн.

Особистий внесок здобувача:

· розроблено склад органо-мінерального комплексу для безпрогрівних бетонів спеціального призначення;

· визначено особливості механізму структуроутворення активованої цементної матриці безпрогрівного бетону;

· визначено параметри керування процесами структуроутворення активованої цементної матриці бетону;

· розроблено технологію безпрогрівних бетонів спеціального призначення.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлялися на науково-технічному семінарі “Практика застосування добавок до цементів, бетонів та будівельних розчинів” (м. Київ, 2001 р.), на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми бетону та його технологій” (м. Київ, 2002 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Стародубовські читання” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), на третій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (м. Львів, 2003 р.).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлені у 7 статтях у збірниках наукових праць, що входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація викладена на 178 сторінках основної частини тексту і складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 225 найменувань, 3 додатків і містить 24 таблиці і 37 рисунків.

основний зміст роботи

У першому розділі проаналізовано стан сучасної технології бетонів, які використовуються для будівництва споруд спеціального призначення. Як відомо, специфічною особливістю виробництва збірного залізобетону є застосування теплової обробки як засобу прискорення тверднення бетону. Значний внесок у розвиток технології теплової обробки бетонів внесли І.М. Ахвердов, Ю.М. Баженов, І.І. Берней, П.П. Будніков, Г.О. Бужевич, О.Е. Дьосов, Г.Д. Дібров, І.О. Іванов, Л.А. Кайсер, Дж. Калоусек, Б.А. Крилов, Г.І. Книгіна, Р. Лерміт, К. Мензель, Л.О. Малініна, С.О. Миронов, Ю.Б. Монфред, В.М. Москвін, М.О. Мощанський, О.П. Мчедлов-Петросян, Р. Нерс, Т. Пауерс, Е. Рейнсдорф, Х.Ф.У. Тейлор, Т. Торвальдсон, В.В. Тімашев, О.Є. Шейкін, С.В. Шестопьоров, В.М. Юнг та багато інших. Але технологічна операція теплової обробки залишається найбільш енергоємним і тривалим процесом при виробництві залізобетонних виробів і конструкцій.

З огляду на сучасний стан підприємств збірного залізобетону, а також значне підвищення вартості енергоносіїв, технологічна операція теплової обробки залізобетонних виробів у заводських умовах стала неефективною і збитковою. Як показує практика, на більшості підприємств збірного залізобетону України параметри теплової обробки не дотримуються. Слід зазначити, що одержання проектної міцності бетону виробів досягається за рахунок підвищеної витрати цементу високих марок при низьких водоцементних відношеннях, а також за рахунок витримування виробів у пропарювальній камері протягом доби і довше, що в комплексі є економічно невиправданим. Крім того, відомо, що у цементній матриці пропареного бетону розвиваються температурні деформації, що призводить до мікротріщиноутворення, підвищення пористості і, як наслідок, до зниження експлуатаційних властивостей матеріалу.

З метою зниження негативного впливу теплової обробки та оптимізації процесу структуроутворення цементної матриці бетону вченими запропоновані різні способи. Одним із перспективних напрямків є активація компонентів бетонної суміші, яка змінює їхній енергетичний стан. Найчастіше активації піддають в’яжучу речовину. Активаційна спроможність цементу зв’язана зі зміною структури кристалічних ґраток і хімічних видів поверхневих та внутрішніх зв’язків. Розвиток різних видів активації компонентів бетонної суміші відображений у працях Б.В. Дерягіна, Г.Р. Ірвіна, П. Кларка, Т. Кобаясі, В.А. Матвієнка, О.М. Михайлова, Н.М. Руденко, М.А. Саницького, В.І. Соломатова, С.І. Федоркіна, Г. Хайніке, І.А. Хінта та ін.

Таким чином, вирішальне значення має зменшення структурної неоднорідності і зниження внутрішніх напружень на всіх масштабних рівнях шляхом виключення технологічної операції теплової обробки залізобетонних виробів та проведенням активації визначених компонентів бетонної суміші, що забезпечуватиме формування міцної і щільної структури.

На підставі попередньо проведених досліджень сформульовані положення робочої гіпотези:

· одержання безпрогрівних бетонів спеціального призначення з заданими експлуатаційними властивостями (високою щільністю, міцністю, стійкістю і довговічністю) можливо шляхом не тільки активізації фізико-хімічних процесів, що проходять у цементній системі, але і керування процесами гідратації і структуроутворення цементної матриці, що повинно здійснюватися сполученням фізичних і хімічних дій на в'яжучу речовину у визначені моменти процесу у присутності активного органо-мінерального комплексу;

·

У другому розділі наведені основні характеристики матеріалів, які застосовували у дослідженнях. З метою з'ясування впливу різних факторів на процеси гідратації і структуроутворення цементних систем застосовувались різні за мінералогічним складом портландцементи. Органо-мінеральний комплекс (ОМК) складається з органічного пластифікуючого компонента ПФМ-БС, кремнеземного мікронаповнювача і хімічного оптимізатора структуроутворення, який викликає збільшення кількості стабільної кристалічної фази в одиниці об'єму цементної системи.

Дослідження процесів гідратації і структуроутворення різних цементних систем, а також їх властивостей і властивостей бетонів на активованій в'яжучій речовині здійснювали як стандартними, так і спеціальними методами. Використовували рентгенофазовий, диференційно-термічний, мікроскопічний аналізи. Визначення міцністних та деформативних властивостей бетонів здійснено з використанням тензометричних методів.

Третій розділ включає дослідження, проведені з метою визначення особливостей механізму гідратації активованої цементної матриці бетону у порівнянні з традиційним бетоном, оскільки основу безпрогрівної технології складає управління процесом структуроутворення в’яжучої речовини. Для одержання бетонів із заданими властивостями необхідно встановити закономірності регулювання параметрів цементних систем на стадії взаємодії цементу з водою.

Таким чином, необхідний вибір активних компонентів комплексного складу з поліфункціональною дією на в’яжучу речовину. При цьому приймається положення, що оптимізуюча дія цих компонентів повинна проявлятися на іонному рівні.

Процес гідратації цементної матриці, що визначає інтенсивність тверднення бетону, залежить від величини енергетичних витрат. Останні підрозділяються на три частини: перша – витрати на відрив реагуючих елементів від підкладки, друга – енергетичні витрати на їхній перенос до місця реакції і третя – витрати на хімічну взаємодію з епітаксіальними зародками. Лімітуючим є процес хімічної взаємодії, який залежить від ряду факторів. Звичайно вважається, що визначальним фактором є температура реакції. Однак можливий інший шлях прискорення хімічних взаємодій збільшенням кількості реагуючих контактів, неврівноважених зв'язків і т.ін. Цьому сприяє диспергування реагуючих речовин (фізична активація), перехід їх в активний стан і, як наслідок, зміна морфології і мінералогічного складу новоутворень (хімічна активація). Таким чином, прискорення тверднення, інтенсифікація росту міцності бетону можливі в результаті сполучення фізичних і хімічних факторів.

Попередніми дослідженнями встановлено доцільність використання фізико-хімічної активації в’яжучої речовини у присутності органо-мінерального комплексу. Роль хімічного оптимізатора структуроутворення полягає у здатності стабілізувати кристалоутворення у визначених умовах гідратації, будучи структурним і хімічним аналогом основної маси кристалогідратів. Крім того, хімічний оптимізатор структуроутворення сприяє виникненню міцної просторової сітки зв'язків, одночасно виконуючи функції орієнтуючих підкладок для виникаючих в основній системі гідратів. Також збільшується загальна концентрація кристалічної фази в одиниці об'єму системи, що структурується, на ранніх стадіях гідратації зі зміною морфології новоутворень, армуючи цементну систему, що призводить до модифікації її фізичної структури і поліпшення експлуатаційних властивостей бетону.

Вибір хімічного оптимізатора структуроутворення визначався трьома принципами: високою ефективністю дії компонентів ОМК на процеси гідратації і структуроутворення цементних систем; недефіцитністю компонента для промислового виробництва України; економічною доцільністю, що визначає низьку собівартість компонентів у цементній системі.

Очевидно, що основною гідратною фазою, що визначає найважливіші фізико-механічні властивості цементного каменю, слід вважати гідросилікати кальцію з високощільною, організованою структурою.

Введення органо-мінерального комплексу у цементне тісто у процесі фізико-хімічної активації здійснюється з метою утворення додаткової кількості низькоосновних гідросилікатів кальцію, у тому числі сполученого типу. Для цього виникає необхідність визначення кількості вільного вапна у цементі, яке необхідно зв'язати з мінеральною складовою ОМК у низькоосновні гідросилікати.

У роботі досліджувалося цементне тісто з різним водоцементним відношенням з метою визначення зміни енергетичного стану цементної матриці бетону в часі, в якості критерію якого прийнята кількість вільного вапна, що утворюється у системі. Експериментально встановлена залежність кількості вільних іонів Са2+ у цементній системі від водоцементного фактора й умов тверднення. З ростом В/Ц більша площа цементних часток, що гідратуються, безпосередньо контактує з рідиною. Це сприяє підвищенню частки гідратних новоутворень на ранніх стадіях. Експериментальний діапазон досліджень цементних систем знаходився в межах від водоцементного відношення тіста нормальної густоти до В/Ц=0,5.

Встановлено, що протягом першої доби кількість вільного вапна у цементному тісті нормального тверднення знаходилася у межах 18,5...19,3% у залежності від мінералогічного складу цементу, а в зразках, підданих тепловій обробці, ці значення знаходяться у межах 26,6...27,9%. Для активованих цементних систем кількість вільного вапна до кінця 1 доби склало 4,1...4,3% (рис. 1). Як показують дослідження, такої кількості вільного вапна досить для формування міцної просторової структури. Отже, близько 10% вільного вапна слід зв'язати у низькоосновні гідросилікати, що у свою чергу допоможе уникнути вилужування вапна у процесі експлуатації бетонних і залізобетонних конструкцій.

З метою керування процесами структуроутворення цементних систем в якості хімічного оптимізатора структуроутворення запропонований гіпс. Його вплив у складі органо-мінерального комплексу на кінетику структуроутворення активованої цементної системи обумовлений наступними обставинами. Для CaSO4, обидва іони якого є руйнівниками структури води, незалежно від знаку потенціаловизначаючого іона, структурна рівновага у дифузійній частині подвійного шару зміщена убік неупорядкованої компоненти водної структури у порівнянні з чистою водою. Таким чином, на поверхні часток активованої в'яжучої речовини має місце тришарова модель водного середовища. Відповідно до цієї моделі, за шаром міцно зв'язаних з поверхнею молекул води розташовується шар з порушеною структурою. Іони Са2+ і SO42- викликають стиск дифузійних шарів іонів. Це послаблює дію сил відштовхування і сприяє більш активній прояві сил притягання між частками твердої фази, що у свою чергу сприяє підвищенню експлуатаційних властивостей цементної матриці бетону.

Так, при введенні гіпсу у цементну систему у процесі фізико-хімічної активації поза залежністю від кількості трьохкальцієвого алюмінату спостерігається приріст міцності, причому найбільш інтенсивний цей процес при введенні 7...9% гіпсу від маси цементу. При цьому приріст міцності складає 9...14% у залежності від активності цементу. Наприклад, для цементу М 400 міцність зростає з 62...66 МПа до 80...82 МПа при збільшенні вмісту гіпсу з 3 до 9% (рис. 2).

Також змінюються деформативні характеристики бетону на активованій в’яжучій речовині. Залежність, що існує між залишковим розширенням об’єму і довжиною тріщин у цементній матриці бетону незалежно від умов тверднення, є чітко вираженою. Так, у процесі теплової обробки у цементній матриці бетону залишкове об'ємне розширення залишається на рівні 6,3...4,2%, причому підвищення показника спостерігається при зростанні значень водоцементного відношення. Цементний камінь пропареного бетону відрізняється нерівною структурою; спостерігається інтенсивне мікротріщиноутворення, причому довжина мікротріщин на одиницю площі на 14...17% більше у порівнянні з цементною матрицею бетону нормального тверднення. Цементна матриця бетону нормального тверднення має більш упорядковану структуру, але і тут спостерігається процес мікротріщиноутворення.

В активованій цементній системі залишкове розширення об’єму знаходиться у межах 0,15...0,72% у залежності від водоцементного відношення, що пояснюється особливостями структуроутворення, що протікає в умовах об'ємного обтиснення. Тут практично не виявлені мікротріщини, що свідчить про формування упорядкованої структури.

Присутність гіпсу у цементній системі, що активується, сприяє утворенню гідратованого продукту ізоморфного типу, іон SO42- заміщає іон SiО44- у гідросилікатному гелі, не змінюючи макроструктури, що призводить до збільшення міцності при стиску цементної матриці бетону. Справедливість цього положення з теоретичних позицій можна обґрунтувати не тільки близьким за розміром іонним радіусом кремнію (1,110-10 м) і сірки (1,010-10 м), але також однаковим тетраедричним розташуванням атомів кисню в аніонах SO42- і SiО44-, що експериментально підтверджено дослідженнями А. Селані, М. Коллепарді, А. Ріо і Дж. Калоусека. Ці дані погоджуються з припущенням про існування включень сульфатного аніона у виді твердого розчину заміщення у гідросилікатному гелі.

Дослідженнями встановлено, що введення додаткової кількості гіпсу у цементну систему у процесі фізико-хімічної активації прискорює реакцію гідратації зі зростанням міцності цементної матриці бетону. При утворенні в активованій цементній системі сполученого C-S-H для компенсації електростатичного заряду іон Са2+ виділяється у рідку фазу, взаємодіючи з активованою поверхнею кремнеземного мікронаповнювача з утворенням додаткової кількості гідросилікатного гелю. При цьому знижується основність як сполученого, так і новоутвореного C-S-H.

Відмінною рисою цементної матриці на активованій в'яжучій речовині у віці 1 доби є ендотермічний ефект при 1400С, що свідчить про утворення моносульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію. Для порівняння - у цементній матриці бетону нормального тверднення перекристалізація тригідросульфоалюмінату кальцію у моногідросульфолюмінат проходить у затверділій матриці, підвищуючи пористість системи. Це також підтверджується рентгенофазовим аналізом, за яким встановлено наявність в активованій цементній матриці бетону моногідросульфоалюмінату кальцію C3ACSH12 (d=8,80; 4,50; 3,9910-10 м) та чотирьохкальцієвого гідроалюмінату C4AH12 (d=7,80; 3,8510-10 м), не характерних для цементної матриці пропареного бетону. Гідросилікати типу C-S-H(I) дають збільшення інтенсивності піків d=3,03 і 1,83…1,8510-10м. Кількість гідратних фаз в активованій цементній системі значно більше; спостерігається підвищення ступеня гідратації в'яжучої речовини, про що свідчить зменшення інтенсивності ліній реліктових клінкерних мінералів. Наприклад, лінії C3S і C2S у віці 1 доби зменшуються майже у три рази. Розходження між іонами, що входять поряд з іонами SO42- у структуру гелю, призводять до зміни розташування іонів у структурі, що виражається макроскопічно у зміні питомої поверхні. При мікроскопічному дослідженні спостерігалися морфологічні зміни гелю в активованій цементній системі. Гель характеризується однорідною, менш поруватою і менш волокнистою структурою у порівнянні з цементною матрицею бетону, підданого тепловій обробці.

Введення у цементне тісто органо-мінерального комплексу у визначені моменти процесу активаційних дій забезпечує ріст кристалів гідросилікатів кальцію у трьох площинах. Раніше зафіксовано утворення первинної коагуляційної структури, що складається з анізометричних гідратних елементів різної конфігурації, що забезпечує високі показники міцності бетону при згині і стиску. При укладанні бетонної суміші на активованій в'яжучій речовині анізометричні гідратні елементи упаковуються таким чином, що утворюють на 2...3 порядку більше контактів на одиницю об'єму, ніж у цементній матриці бетону нормального тверднення.

Важливим елементом є пористість цементної матриці бетону. Вона може змінюватися у процесі тверднення внаслідок “заростання” пор або їхнього зменшення в результаті розвитку волокнистої або пластинчастої структури тоберморитоподібної фази C-S-H (I) і C-S-H (II). Простір між зернами C3S, заповнений портландитом, при подальшій гідратації зменшується до розмірів малих каверн і канальців, заповнених у всіх напрямках фазою C-S-H, що розвивається і ущільнює структуру.

Зіставлення отриманих даних свідчить про створення сприятливих умов структуроутворення у бетоні на активованій в'яжучій речовині. Цементна матриця відрізняється високою щільністю. Цементне тісто витісняє газову фазу на поверхню заповнювача, що призводить до утворення цементної матриці з мікрокапілярною структурою. Загальний об’єм пор у бетоні на активованій в'яжучій речовині зменшується майже в п'ять разів. Основний об’єм пор (близько 80%) в активованому цементному камені, що твердів протягом 1 доби, приходиться на гелеві та кристалізаційні пори (радіусом менш 10-7 м); у цементному камені нормального тверднення, навпаки, основний об’єм займають капілярні пори (радіусом 10-7...10-6 м). Можна стверджувати, що фізико-хімічна активація створює передумови для формування щільної структури цементної матриці бетону.

Сумарна пористість цементної матриці бетону з підвищеним вмістом трьохкальцієвого алюмінату більше, ніж у цементному камені з невисоким вмістом С3А, причому істотна різниця виявляється для термообробленого бетону і бетону нормального тверднення, відрізняючись незначно для активованої цементної матриці бетону. Це обумовлюється переважним утворенням пор радіусом більш 10-7 м, що можна пояснити наявністю кристалів гідроксиду кальцію і тригідросульфоалюмінату кальцію, що розпушують структуру цементної матриці бетону. У бетоні з активованою цементною системою внаслідок зміни морфології новоутворень негативний вплив трьохкальцієвого алюмінату нівелюється дією органо-мінерального комплексу, що розширює область використання звичайних цементів.

До 28 діб тверднення в активованих цементних системах порова структура змінюється незначно незалежно від виду цементу і водоцементного відношення. Це дає підставу припускати переважний плин процесів структуроутворення активованих цементних систем у першу добу тверднення з уповільненням до 28-добового віку.

Раніше встановлено існування тісного зв'язку між характером структури цементної матриці і міцністю бетону, причому ці властивості визначаються як типом, так і об’ємом продуктів гідратації в'яжучої речовини. Мікроструктура цементної матриці бетону нормального тверднення у віці 1 доби складається з великої кількості волокон з кулястими включеннями, що поросли етрингітовими голками, і повстяною масою волокон C-S-H. Ущільнена структура після 28 діб характеризується відносно невеликими ознаками росту волокон і складається з пакетів пластинчастих кристалів портландиту. Ці утворення зображені смугами і тріщинами уздовж площин спайності. Іноді гострі тріщини довжиною (20...30)10-6 м проходили крізь пакети кристалів, простираючись у навколишньому гелі. Ступінь гідратації цементного каменю нормального тверднення не перевищував 46...54% у залежності від віку, виду цементу і водоцементного відношення.

Активована цементна матриця бетону характеризується щільною структурою, ступінь гідратації її складає 68...81% у залежності від віку, причому вплив водоцементного відношення знижується на відміну від систем нормального тверднення, а приріст ступеня гідратації більше у звичайних цементів. Цей факт можна пояснити підвищенням ефекту активації цементів грубого помелу. Кристали гідросилікату кальцію, кристалізуючись усередину великих пор, сприяють “забудові” або розчленуванню на дрібні пори. Шляхом заповнення повстяними кристалами продуктів гідратації кальцієвих силікатів відбувається ущільнення структури. В активованій просторовій структурі об’єм відкритих пор незначний, що забезпечує високу щільність і міцність бетону 80…100 МПа на звичайних цементах.

У четвертому розділі викладено результати досліджень фізико-механічних властивостей безпрогрівного бетону. Враховуючи особливості технології, необхідно було дослідити реологічні властивості сумішей на активованій в’яжучій речовині.

Істотно впливає на реологічні характеристики розчинної суміші на активованій в’яжучій речовині природа структурних фаз – їхній склад і стан, морфологія і розміри, а також хімічна стійкість новоутворень. У сукупності ці параметри визначають енергетичний стан системи, що твердіє. На зміну вільної енергії впливають модифікації дисперсних фаз різної щільності (упакування цементних часток, система зв'язку і вид вологи, товщина і щільність структури води у плівковому стані, параметри повітрозалучення). Аномалії в'язкості зв'язані з наявністю метастабільних багатоводних модифікацій (моно- і трьохсульфатна форми гідросульфоалюмінату кальцію (ГСАК) та інші сульфовміщуючі комплекси). ГСАК являє собою кристалоутворюючий початок у формуванні складної кристалічної структури цементного каменя, на утворення якої витрачається основна частина води періоду ранньої стадії гідратації, що супроводжується підвищенням структурної в'язкості системи, що гідратується. Фізико-хімічна активація здатна усунути негативний вплив трьохсульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію на процеси структуроутворення і ріст міцності цементних систем.

Експериментально встановлено зниження в'язкості розчинної суміші на активованій в'яжучій речовині у порівнянні з в'язкістю розчинної частини звичайного бетону, що пояснюється розвитком суперпластифікуючого ефекту під час фізико-хімічної активації цементної системи у присутності пластифікатора ПФМ-БС. Це створює сприятливі умови для формування бетонних і залізобетонних конструкцій різної конфігурації, у тому числі тонкостінних та густоармованих.

Результати визначення в'язкості цементно-піщаного розчину у залежності від інтенсивності активаційних дій приведені у табл. 1.

Формування міцної структури бетону залежить від різних факторів, керування якими дозволяє одержати матеріал високої якості. Для визначення впливу міцності мікроструктури цементної матриці на міцність бетону досліджена мікротвердість контактних шарів цементного каменя та крупного заповнювача. Отримані результати пояснюють підвищення міцності бетону на активованій в'яжучій речовині при розтягу. У такій системі контактні зони цементної матриці практично накладаються одна на одну, що і визначає високу міцність таких бетонів при розтягу. У бетоні на активованій в'яжучій речовині утворюється матриця, ізотропна від поверхні заповнювача до центральних міжзернових прошарків. Така матриця характерна високою адгезією до поверхні заповнювача.

Фізико-механічні характеристики бетону у залежності від величини водоцементного фактора приведені у табл. 2.

Таблиця 1

Технологічні характеристики цементно-піщаних розчинів

Вид суміші | В/Ц=0,40 | В/Ц=0,45 | В/Ц=0,50

в’язкість, с | Х | в’язкість, с | Х | в’язкість, с | Х

Звичайний розчин | 28 | 1,32 | 22 | 1,78 | 19 | 1,39

34 | 1,42 | 29 | 1,93 | 24 | 2,42

43 | 1,53 | 33 | 2,12 | 32 | 2,60

55 | 1,63 | 41 | 2,27 | 55 | 2,83

64 | 1,75 | 64 | 2,53 | 57 | 3,08

80 | 1,87 | - | - | - | -

Розчин на активованій в’яжучій речовині | 18 | 1,33 | 10 | 1,63 | 11 | 2,16

22 | 1,61 | 13 | 1,75 | 14 | 2,43

28 | 1,83 | 18 | 2,15 | 21 | 2,63

32 | 2,01 | 27 | 2,35 | 26 | 2,87

35 | 2,12 | 31 | 2,63 | 30 | 3,19

- | - | 32 | 2,75 | - | -

Таблиця 2

Фізико-механічні характеристики бетону

Мц | В/Ц | Вік, діб | Ступінь гідратації в’яжучої речовини, % | Міцність бетону, МПа

при стиску | при згині

звичайний бетон | на активованій в’яжучій речовині | звичайний бетон | на активованій в’яжучій речовині | звичайний бетон | на активованій в’яжучій речовині

400 | 0,40 | 1 | 14,4 | 47,3 | 16,7 | 44,2 | 4,3 | 14,7

28 | 41,7 | 69,6 | 32,6 | 72,3 | 11,1 | 21,9

90 | 47,2 | 77,3 | 37,8 | 87,4 | - | 22,8

0,50 | 1 | 16,4 | 49,6 | 16,2 | 46,1 | 4,1 | 13,9

28 | 44,3 | 71,4 | 32,2 | 74,8 | 12,3 | 21,8

90 | 48,7 | 79,1 | 34,6 | 85,4 | 12,4 | 23,1

500 | 0,40 | 1 | 16,7 | 49,2 | - | 51,3 | 4,8 | -

28 | 43,6 | 72,4 | 38,8 | 91,1 | 11,8 | 23,4

90 | 51,3 | - | 41,3 | 98,3 | 12,3 | 23,9

0,50 | 1 | 19,3 | 48,6 | 17,8 | 53,8 | 6,7 | 16,7

28 | 46,4 | 77,4 | 34,1 | 92,1 | 11,8 | 24,2

90 | 49,8 | 82,9 | 39,9 | 99,4 | 12,3 | -

При дослідженні бетонних зразків, виготовлених із суміші на активованій в'яжучій речовині, встановлені закономірності зміни фізико-механічних характеристик, відмінні від тих же показників для звичайного бетону. Зокрема, для звичайного бетону відношення Rзг/Rст знаходиться у межах 0,37...0,40, а для безпрогрівного бетону це відношення збільшується до 0,42...0,44 у залежності від віку.

Виходячи з результатів досліджень, гранична деформативність безпрогрівного бетону збільшується з 36103 МПа до 62103 МПа і з 2,210-1% до 2,910-1% при підвищенні міцності до 240% у порівнянні з бетоном нормального тверднення. У той же час значення граничної поперечної деформації для всіх бетонів залишилися майже незмінними і склали в середньому 1,210-1%. Це пояснюється тим, що цементно-піщаному розчину, який є матрицею у системі бетону, внаслідок фізико-хімічної активації і низького В/Ц властивий більш пізній початок мікротріщиноутворення через підвищення міцності зчеплення заповнювачів з цементним каменем і зменшення загальної початкової дефектності структури.

Аналіз результатів експериментальних досліджень модуля пружності і граничної деформативності, а також діаграм - і зміни повних деформацій і інтегрального коефіцієнта поперечних деформацій при короткочасному осьовому стиску показав, що мікротріщиноутворення у безпрогрівному бетоні починається при напругах =(0,82...0,88)Rб і закінчується при =(0,92...0,94)Rб. Модуль пружності бетону знаходиться у межах (52...63)103 МПа, а гранична деформативність – (2,4...2,8)10-1%, що на 14...20% більше, ніж для бетонів міцністю менш 80 МПа. Гранична поперечна деформація складає (1,1...1,5)10-1%. Це підтверджує справедливість того, що руйнація бетону на активованій в'яжучій речовині відбувається в результаті порушення зв'язків між його структурними елементами і компонентами або самими структурними елементами при досягненні в них граничної деформації розтягу. В основному на модуль пружності і граничну деформативність безпрогрівного бетону впливають пружність і деформативність крупного заповнювача, його об'ємна концентрація у складі бетону, а також пружність і деформативність розчинної частини і цементної матриці.

У п’ятому розділі представлено результати досліджень експлуатаційних властивостей бетону на активованій в’яжучій речовині та особливості технології безпрогрівного бетону.

Безпрогрівна технологія бетонних і залізобетонних виробів базується на наступних позиціях: приготуванні цементної системи, активованої фізико-хімічним способом із граничним насиченням її твердою фазою (мінімальним В/Ц) і найбільш повною гідратацією цементних часток незалежно від їхньої міцності; нанесенні шару активованої цементної системи на зерна заповнювачів, що повинно забезпечувати заповнення мікрорельєфу їхньої поверхні і, отже, досягнення високого ступеня адгезії клею і заповнювача. Міцність бетону регулюється ущільненням часток заповнювача з цементуючою обмазкою до заданої щільності. При цьому забезпечується зниження витрат цементу до рівня, необхідного для утворення об’єму цементного клею з оптимальною кількістю води, достатнього для обмазки зерен заповнювача шаром мінімальної товщини.

В основу безпрогрівної технології покладена фізико-хімічна активація в'яжучої речовини, що відбувається в реакторі-активаторі, який представляє собою циліндричну ємність із замкнутим трубопроводом. У реактор-активатор подаються цемент у кількості 60...80% від розрахункового і підігріта вода. В окремій ємності готується органо-мінеральний комплекс, введення якого в реактор-активатор відбувається у визначені моменти, що відповідають збільшенню концентрації іонів Са2+ у рідкій фазі цементної системи.

Перевагою розробленої безпрогрівної технології бетонів спеціального призначення є можливість укладання бетонної суміші трьома способами, що не вимагають складного переналагодження діючих заводських технологічних ліній: шляхом втоплювання крупного заповнювача у попередньо укладену у форму або лаштунок активовану цементно-піщану суміш; за струминною технологією з попереднім укладанням у лаштунок або форму крупного заповнювача та наступною подачею активованої цементно-піщаної суміші. Ущільнення бетонної суміші здійснюється за рахунок кінетичної енергії струменя у сполученні з глибинними вібраторами або на вібромайданчику; укладка готової бетонної суміші на активованій цементній системі. Тверднення конструкцій заводського виготовлення відбувається у камерах термосного витримування, для чого використовуються пропарювальні камери, а монолітних споруд – у лаштунку протягом 10-12 годин.

Розроблена технологія роздільного бетонування дозволяє підвищити продуктивність ін'єкційних установок, що випускаються серійно, скоротити обслуговуючий персонал; скоротити витрати при транспортуванні і підготовці устаткування до роботи, забезпечити надійність і безпеку при роботі установки, механізувати операції по завантаженню заповнювачів; забезпечити механізоване дозування цементу й органо-мінерального комплексу, підвищити якість бетонних робіт, поліпшити експлуатаційні властивості безпрогрівного бетону.

Найчастіше експлуатація бетонних і залізобетонних конструкцій і споруд спеціального призначення здійснюється в умовах корозійного впливу навколишнього середовища, тому у комплекс досліджень включено визначення корозійної стійкості безпрогрівного бетону.

Як випливає з результатів досліджень, в активованій цементній матриці бетону з часом зростає кількість низькоосновних гідросилікатних фаз, спостерігається перекристалізація гідрогранатів у низькоосновні гідроалюмосилікати кальцію. В активованій цементній матриці бетону вміст вільного гідроксиду кальцію не перевищує 3...4%, що є необхідною умовою для одержання корозійностійкого матеріалу.

При дослідженні стійкості бетону в сульфатному середовищі визначалися міцність при стиску зразків, а також вміст у них сульфатів. При цьому визначався фазовий склад продуктів гідратації. Результати досліджень представлені у табл. 3.

Таблиця 3

Міцність бетону при витримуванні у сульфатному середовищі

Мц, вид бетону та умови зберігання | Міцність при стиску, МПа, у віці, діб | Кс у віці 180 діб

28 | 90 | 180

400 | Звичайний (ТВО), занурені | 30,4 | 28,7 | 27,6 | 0,78

Звичайний (ТВО), змінний рівень | 30,17 | 27,5 | 24,2 | 0,77

Активований, занурені | 78,3 | 77,4 | 75,6 | 0,96

Активований, змінний рівень | 78,4 | 77,2 | 74,5 | 0,95

500 | Звичайний (ТВО), занурені | 34,2 | 30,4 | 27,1 | 0,81

Звичайний (ТВО), змінний рівень | 31,8 | 28,9 | 25,4 | 0,80

Активований, занурені | 98,2 | 95,9 | 91,8 | 0,94

Активований, змінний рівень | 97,3 | 93,8 | 91,2 | 0,93

Таким чином, за результатами експериментів можна зробити висновок, що безпрогрівний бетон може успішно застосовуватися при зведенні споруд спеціального призначення, що експлуатуються в умовах дії агресивних середовищ.

Атмосферостійкість бетону на активованій в'яжучій речовині визначалася за зміною маси дослідних зразків. Слід зазначити, що при застосуванні активованої цементної системи зміна маси зразків незначна у порівнянні з пропареним бетоном. У зразках пропареного бетону збільшення маси супроводжується ростом необоротних деформацій, очевидно, за рахунок водопоглинання при наявності відкритої пористості. Втрата маси зразків при змінному зволоженні і висушуванні спостерігається для всіх зразків, однак для бетону на активованій в'яжучій речовині цей процес не носить екстремального характеру. Очевидно, це можна пояснити більш щільною структурою бетону, точніше, його цементної матриці.

Як випливає з результатів експериментів, бетону на активованій в'яжучій речовині у специфічних умовах експлуатації гарантована досить висока атмосферостійкість. Відзначене також підтверджується стабільними значеннями міцності матеріалу у процесі досліджень. Для пропареного бетону спостерігається спад міцності при стиску. Еталонні зразки почали руйнуватися після 186 циклу змінного водонасичення і висушування, тоді як зразки бетону на активованій в'яжучій речовині знаходилися в задовільному стані до 200 циклів, після яких досліди були припинені.

Особливість споруд спеціального призначення полягає в тому, що найчастіше вони піддаються змінному заморожуванню і відтаванню в умовах капілярного підсмоктування. Тому бетон, призначений для зведення таких споруд, повинен мати високу морозостійкість. Теоретично передбачається можливим підвищення морозостійкості бетону шляхом модифікації його поруватої структури, що досягається використанням активованої цементної системи, яка містить регулятори структури. Встановлено, що безпрогрівний бетон на активованій в’яжучій речовині має марку по морозостійкості F 200 і вище.

Призначення складу безпрогрівного бетону заданого класу при роздільному способі бетонування характерно рядом особливостей. До них відносяться: роздільне призначення складу цементно-піщаної суміші, призначеної для трубопровідного транспорту, а також призначення кінцевого складу бетону з заданими властивостями. Дослідні склади бетону на активованій в'яжучій речовині представлені у табл. 4.

Таблиця 4

Дослідні склади бетону на активованій в’яжучій речовині

Марка цементу | Склад бетону, кг/м3 | Міцність при стиску, МПа

цемент | пісок | ОМК | щебінь | В/Ц

400 | 371 | 647 | 70,89 | 1048 | 0,42 | 65,9

346 | 618 | 65,71 | 1036 | 0,40 | 63,1

331 | 629 | 62,98 | 1024 | 0,47 | 64,8

500 | 353 | 693 | 70,12 | 1121 | 0,43 | 78,2

328 | 713 | 65,13 | 1128 | 0,46 | 76,1

314 | 684 | 62,58 | 1114 | 0,41 | 74,1

Техніко-економічна ефективність розробленої