НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО

ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

ГЕРАСИМОВА КАТЕРИНА ВАРФОЛОМІїВНА

УДК 691.32

ВЛАСТИВОСТІ І ТЕХНОЛОГІЯ

СПЕЦІАЛЬНОГО, МОДИФІКОВАНОГО ЗАЛІЗОМ

БЕТОНУ, В УМОВАХ ДИНАМІЧНИХ ВПЛИВІВ

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сімферополь – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Шишкін Олександр Олексійович,

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

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Савін Лев Сергійович,

Придніпровська державна академія
будівництва та архітектури,

професор кафедри екології та охорони

навколишнього середовища;

кандидат технічних наук, доцент

Зайченко Микола Михайлович,

Донбаська національна академія
будівництва і архітектури,
докторант кафедри технологій
будівельних матеріалів, виробів
та автомобільних доріг.

Захист відбудеться “19” грудня 2007 року о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .079.01 в Національній академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, навчальний корпус 2, зала засідань ради.

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

Автореферат розісланий “17” листопада 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О. А. Рубель

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У процесі експлуатації конструкції будівель і споруд сприймають негативні динамічні впливи, які виникають унаслідок роботи технологічного та іншого обладнання, транспорту, підривних робіт у розташованих неподалік кар'єрах і шахтах тощо. Тому виникає потреба в підсиленні, захисті й ремонті таких конструкцій.

Для ремонту будівельних конструкцій використовуються спеціальні бетони, які повинні мати цілий ряд специфічних властивостей, зокрема високу міцність при стиску і, особливо, високу міцність зчеплення з бетоном існуючих конструкцій. Звичайні бетони не мають такого комплексу властивостей. Однак до цього часу властивості спеціальних бетонів, у тому числі модифікованих залізом, які мають високі фізико-механічні та експлуатаційні показники, в умовах динамічних навантажень вивчені недостатньо, а дія динамічних впливів на міцність зчеплення ремонтних бетонів з бетоном ремонтованої конструкції на цей час не досліджена. Не визначені також особливості технології виготовлення й нанесення таких бетонів на бетон ремонтованої конструкції.

Таким чином, проблема визначення властивостей і особливостей технології спеціальних бетонів, призначених для ремонту будівельних конструкцій, в умовах динамічних впливів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного й прикладного характеру, результати яких викладені у дисертації, виконувалися відповідно до чинного Закону України № ІІІ від 11.07.2001 “Про пріоритетні напрямки розвитку науки й техніки”, напрямку № “Новітні й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й аграрно-промисловому комплексі”, регіональної науково-дослідної програми “Кривбас-2000” (1995-1999 рр.), плану науково-дослідних робіт навчально-науково-виробничого комплексу “Будіндустрія” (створеного наказом Міністра освіти і науки України №  від 10.05.2000) за темою № /2004 “Розробка методів ремонту залізобетонних конструкцій” (2004-2005 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є підвищення стабільності фізико-механічних властивостей спеціальних, модифікованих залізом бетонів, призначених для ремонту бетонних і залізобетонних будівельних конструкцій, в умовах динамічних впливів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:– 

дослідити вплив комплексної мінерально-органічної добавки, що містить з'єднання заліза, натрієву сіль вищої жирної кислоти і простий ефір, на властивості бетонної суміші на основі портландцементів;– 

дослідити вплив комплексної мінерально-органічної добавки на властивості бетону в умовах динамічних впливів;– 

визначити оптимальний склад комплексної добавки для модифікації бетонів, призначених для ремонту будівельних конструкцій, в умовах динамічних впливів;– 

визначити особливості технології виготовлення й використання розроблених бетонів;– 

провести виробничі випробування розроблених бетонів і встановити їхню економічну ефективність.

Об'єкт досліджень – процеси формування фізико-механічних властивостей спеціальних ремонтних бетонів в умовах динамічних впливів.

Предмет досліджень – властивості й технологія спеціального бетону, що містить комплексну мінерально-органічну добавку на основі з'єднань заліза, натрієвої солі вищої жирної кислоти і простого ефіру, призначеного для ремонту будівельних конструкцій, в умовах динамічних впливів.

Методи досліджень: стандартні та спеціальні методи, у тому числі рентгенофазовий та диференційно-термічний аналіз для визначення властивостей цементного тіста, бетонної суміші й бетону; спеціальні методи для визначення міцності зчеплення спеціального бетону з бетонною поверхнею в умовах дії динамічних впливів; статистичний аналіз – для обробки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів:– 

теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено можливість використання простого ефіру – карбоксиметилцелюлози як додаткового компонента комплексної добавки на основі з'єднань заліза й натрієвої солі вищої жирної кислоти для підвищення адгезійних властивостей бетонів, призначених для ремонту будівельних конструкцій, в умовах динамічних впливів;– 

уперше визначені закономірності впливу комплексної мінерально-органічної добавки, що містить з'єднання заліза, натрієву сіль вищої жирної кислоти і карбоксиметилцелюлозу, на адгезійні властивості бетону в умовах динамічних впливів;– 

уперше визначені закономірності зміни фізико-механічних та експлуатаційних властивостей бетонів, що містять комплексну мінерально-органічну добавку, в умовах динамічних впливів.

Практичне значення одержаних результатів:– 

розроблено склади бетонів, одержуваних у результаті твердіння систем, що містять портландцемент і комплексну мінерально-органічну добавку на основі з'єднань заліза, натрієвої солі вищої жирної кислоти й карбоксиметилцелюлози, для ремонту будівельних конструкцій в умовах динамічних впливів;– 

удосконалено метод розрахунків бетонів, одержуваних у результаті твердіння систем, що містять гідравлічне в'яжуче й комплексну мінерально-органічну добавку на основі з'єднань заліза, натрієвої солі вищої жирної кислоти й карбоксиметилцелюлози, із заздалегідь заданими властивостями, заснований на врахуванні адгезійних властивостей бетону;– 

виконано дослідно-промислову апробацію розроблених бетонів при ремонті об’єктів, які підлягають дії динамічних впливів: зовнішнього покриття адміністративної будівлі науково-виробничого підприємства “Центр впровадження науково-технічних розробок “Шламобет” та вертолітних площадок ТОВ “Авіапідприємство Нива” (м. Кривий Ріг).

Особистий внесок здобувача полягає:– 

у теоретичному обґрунтуванні і експериментальному підтвердженні можливості використання простого ефіру - карбоксиметилцелюлози для стабілізації фізико-механічних, у першу чергу адгезійних властивостей бетонів, що містять комплексну добавку на основі з'єднань заліза й натрієвої солі вищої жирної кислоти, призначених для ремонту будівельних конструкцій в умовах динамічних впливів; – 

у дослідженнях фізико-механічних властивостей бетонів, що містять комплексну мінерально-органічну добавку на основі з'єднань заліза, натрієвої солі вищої жирної кислоти і карбоксиметилцелюлози;– 

у встановленні закономірностей впливу карбоксиметилцелюлози на фізико-механічні властивості розроблених бетонів;– 

у визначенні впливу терміну початку й тривалості дії, а також інтенсивності динамічних впливів на адгезійні властивості розроблених бетонів;– 

у визначенні особливостей технології виготовлення розроблених бетонів.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених у дисертації досліджень розглянуті на Міжнародній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійного комплексу України” (Кривий Ріг, 2006), Міжнародній конференції “Сталезалізобетонні конструкції. Дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” (Кривий Ріг, 2006), 5-му науково-практичному семінарі “Структура, свойства и состав бетона” (Рівне, 2006), 6-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 2006), Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні конструкції й матеріали в промисловому, цивільному й дорожньому будівництві” (Макіївка, 2006).

Публікації. Основні положення роботи опубліковані в 6 статтях у збірниках наукових праць, з них 4 публікації – у фахових наукових виданнях, внесених до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації становить 184 сторінки. Основний зміст викладений на 141 сторінці, складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і містить 41 таблицю і 94 рисунки. Крім того, дисертація включає список використаних джерел зі 153 найменувань та 2 додатки на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертації, сформульована мета і завдання досліджень, зазначено найбільш важливі положення, закономірності, що отримані автором і мають наукову та практичну цінність.

У першому розділі на основі аналізу відомих праць П. В. Кривенка, Р. Ф. Рунової, О. О. Шишкіна, В. М. Вирового, Ю. М. Баженова, Л. О. Шейніча, В. Л. Чернявського та інших показано, що основним фактором, який дозволяє регулювати міцністні характеристики штучного каменю, й особливо адгезійні властивості цементів і бетонів, є фактор направленого регулювання мікроструктури штучного каменю на стадії коагуляційно-кристалізаційних процесів, що забезпечують направлений синтез і швидкість кристалізації, морфологію гідратних фаз, обсяг порового простору, розмір пор і ступінь їхньої рівномірності в об’ємі штучного каменю.

Управління адгезійними властивостями цементного каменю може реалізуватись у напрямку регулювання фазового складу продуктів гідратації, зміни співвідношення мінеральної та органічної, кристалічної та гелєвидної фаз, коригування порової структури. При цьому морфологія, пористість, щільність і хімічний склад – взаємозалежні фактори, що визначають характер структури та властивості матеріалу.

У свою чергу будова і взаємозв'язок елементів мікроструктури цементного каменю, розмір і характер пор, співвідношення між фазовими складовими залежать від складу продуктів гідратації, що визначаються хіміко-мінералогічним складом вихідних в'яжучих речовин і добавок, у тому числі залізовмісних та органічних, і кількістю води замішування, за умови дотримання оптимальної технології приготування й укладання бетонної суміші, терміну і режиму твердіння. Ці підходи дозволяють отримати цементи й бетони з високими адгезійними характеристиками.

Недостатня і суперечлива інформація про зміну залежно від впливу динамічних навантажень фізико-механічних властивостей бетонів, у першу чергу адгезійних, не дозволяє належним чином прогнозувати стабільність властивостей бетонів, призначених для відновлення та ремонту будівельних конструкцій.

Виходячи з аналізу інформації про вплив структурних характеристик в'яжучих систем, що твердіють, на властивості штучного каменю, а також про способи управління мікро- і макроструктурою цементів, у тому числі модифікованих залізом, висунуто гіпотезу, що введення простого ефіру до складу модифікованого залізом бетону, що містить натрієву сіль вищої жирної кислоти, призначеного для ремонту будівельних конструкцій, забезпечить підвищення стійкості системи “ремонтний бетон – ремонтована конструкція” в умовах динамічних впливів. Згадана стійкість досягається за рахунок підвищення міцності контактного шару між компонентами системи. Вона зумовлюється підвищенням ступеня їхнього зрощування за рахунок збільшення адсорбції на поверхні розділу іонів заліза з утворенням стійких продуктів його взаємодії з натрієвими солями вищої жирної кислоти й простого ефіру.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, використаних для виготовлення модифікованих в'яжучих і бетонів.

Як основна в'яжуча речовина використовувався портландцемент ВАТ “Кривий Ріг Цемент”.

Модифікування і коригування складів здійснювалось уведенням до складу в'яжучої речовини мінеральної й органічної добавок.

У якості мінеральної добавки використовувались залізовмісні гірські породи Криворізького залізорудного родовища. У якості органічної добавки обрано суміш натрієвої солі вищої жирної кислоти – олеату натрію та простого ефіру – карбоксиметилцелюлози (КМЦ), оскільки вони мають високу поверхневу активність.

Органічна добавка вводилась до складу в'яжучих у вигляді емульсії, що являє собою систему “олія-вода”.

Для дослідження пористої структури цементного каменю на рівні мікро- і капілярних пор використано метод d-сушіння. Визначення фазового складу вихідних речовин і продуктів гідратації здійснювалось за допомогою комплексу фізико-хімічних методів дослідження: рентгенофазового, диференційно-термічного та хімічного аналізів.

Стабільність властивостей в'яжучих і бетонів на їх основі оцінювалась за динамікою і величиною змін фізико-механічних, у першу чергу адгезійних і деформаційних характеристик отриманих матеріалів в умовах динамічних впливів.

У третьому розділі наведено дослідження механізму стабілізації фізико-механічних властивостей цементного каменю в умовах динамічних впливів. У першу чергу визначено вплив КМЦ на властивості цементного тіста і цементного каменю. Дослідами встановлено, що її введення до складу спеціального цементу, який являє собою дисперсну систему “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію”, змінює терміни тужавіння цементного тіста. При цьому введення КМЦ до складу спеціального цементу в кількості до 0,2практично не змінює терміну початку й закінчення тужавіння цементного тіста. При подальшому збільшенні вмісту КМЦ відбувається досить помітне уповільнення тужавіння, особливо значно збільшується термін його закінчення. Наявність КМЦ у досліджуваній системі приводить до збільшення її структурної міцності та зменшення усадки.

Формування адгезійного зчеплення цементного тіста із затверділим бетоном основи відбувається з часом, про що свідчить збільшення величини його адгезії (рис. 1).

Рис. 1. Зміна адгезії цементного тіста до бетону основи в часі
залежно від виду органічної добавки.

Установлене явище пояснюється визначеним збільшенням водоутримуючої спроможності цементного тіста, що містить КМЦ, як при седиментації його часток, так і при відсмоктуванні води пористою поверхнею затверділого бетону. Збільшення водоутримуючої спроможності цементного тіста, яке містить комплекс “олеат натрію – КМЦ”, опосередковано підтверджує, що система “цемент – залізовмісна речовина – олеат натрію – КМЦ – вода” містить значну кількість води, яка знаходиться у фізично зв'язаному стані.

Аналіз результатів цієї групи експериментів показав, що оптимальний склад комплексу “олеат натрію – КМЦ” за величиною адгезії, усадки та водоутримуючою спроможністю цементного тіста визначається вмістом 0,25олеату натрію й 0,13КМЦ від маси системи “портландцемент – залізовмісна речовина”, при вмісті залізовмісної речовини в кількості 20від маси цієї системи.

Результати проведених експериментів показали, що введення КМЦ до складу спеціального, модифікованого залізом і олеатом натрію цементу приводить до збільшення конденсації його дисперсної фази на поверхні затверділого бетону. В усіх випадках з часом, у межах експерименту, на поверхні бетонної конструкції підвищується концентрація оксидів заліза, кальцію й кремнію, що встановлено методами хімічного аналізу.

Цементний камінь, отриманий у результаті твердіння спеціального цементу, що являє собою дисперсну систему “портландцемент – залізовмісна речовина – органічний компонент”, де у якості органічного компоненту використано олеат натрію, має міцність при стиску більшу, ніж цементний камінь, отриманий на основі аналогічної дисперсної системи, де у якості органічного компоненту було застосовано КМЦ. Це можна пояснити розходженням у довжині й вигляді радикалів органічного компонента. У той же час, система, що містить суміш олеату натрію і КМЦ, має найбільшу міцність при стиску.

Як показав аналіз результатів наступної групи експериментів, оптимальним є вміст суміші органічних компонентів цементу в кількості 0,4від маси системи “портландцемент – залізовмісна речовина”, при співвідношенні олеат натрію / КМЦ = 2. Це свідчить про зміни в структурі одержуваного матеріалу, що сприятливо впливає на його міцністні властивості.

Для підтвердження цього висновку було досліджено мінералогічний склад затверділого цементного каменю із застосуванням рентгенофазового та диференційно-термічного аналізів. Установлено, що введення КМЦ приводить, практично не змінюючи складу новоутворень, до збільшення кількості мінералів, які містять значну кількість хімічно зв'язаної води.

Аналіз результатів досліджень (рис. 2) показав, що оптимальний вміст КМЦ у системі за величиною міцності при стиску становить 0,135а олеату натрію – 0,27при вмісті залізовмісного компонента в системі в кількості 20від маси суміші “портландцемент – залізовмісний компонент”.

Рис. 2. Вплив органічних компонентів на міцність цементного каменю
при стиску після однократного динамічного впливу на цементне тісто,
яке містить 20залізовмісної речовини від маси суміші “портландцемент –залізовмісна речовина” (ОС – органічна складова, О – олеат натрію, К – КМЦ).

Цей вміст органічних компонентів комплексної добавки достатньо близький до їхніх оптимальних вмістів, які забезпечують максимальне адгезійне зчеплення цементного каменю із затверділим бетоном основи. Але слід зазначити, що КМЦ більше впливає на адгезійні, ніж на міцністні властивості цементного каменю.

Дослідження показали, що уведення КМЦ до складу спеціального цементу збільшує його сульфатостійкість та стійкість до вилуджування, але зменшує кислотостійкість.

В умовах експерименту збільшення часу між приготуванням цементного тіста й початком динамічного впливу на нього до закінчення тужавіння приводить до збільшення міцності цементного каменю при стиску і його зчеплення із затверділим бетоном. Подальше збільшення часу між приготуванням і початком динамічних впливів на нього приводить до зниження міцності зчеплення.

При збільшенні тривалості динамічних впливів на цементне тісто від 0 до topt міцність при стиску й величина адгезії до бетону одержуваного цементного каменю збільшується. При подальшому збільшенні тривалості динамічних впливів від topt до 2topt в умовах експерименту міцність при стиску й величина адгезії одержуваного цементного каменю практично не змінюються. Подальше збільшення тривалості динамічних впливів приводить до зменшення міцності при стиску, величина ж адгезії в межах експерименту залишається практично незмінною.

Динамічні впливи характеризуються не тільки їхньою тривалістю, а й такими параметрами, як амплітуда й частота. Для характеристики вібраційних впливів на бетонну суміш було використано такий показник “інтенсивність”, величина якої визначається з формули U = 0,001·А2·n3, де А – амплітуда впливів, n – частота впливів. Цей показник динамічних впливів і було прийнято при проведенні досліджень.

Залежність міцності при стиску й величини адгезії до бетону основи отриманого цементного каменю від інтенсивності динамічних впливів має виражений експоненціальний характер. Отже, підвищення інтенсивності динамічних впливів та їх тривалості приводить до зниження фізико-механічних властивостей цементного каменю, збільшення ж терміну до початку повторного динамічного впливу на цементне тісто зменшує його негативний вплив на одержуваний цементний камінь. У той же час, повторний динамічний вплив практично не впливає на величину адгезії до бетону цементного каменю, отриманого в результаті твердіння спеціального цементного тіста, що містить КМЦ. В інших випадках величина адгезії цементного каменю значно знижувалася. В усіх випадках уведення КМЦ зменшує на 15…22вплив інтенсивності динамічних впливів на міцністні властивості цементного каменю. Цей факт можна пояснити високим ступенем зв'язування води в спеціальному цементному тісті, що містить КМЦ.

Збільшення кількості динамічних впливів та терміну їх дії в усіх випадках приводить до зниження міцності при стиску й величини адгезії до бетону одержуваного цементного каменю. Але цементний камінь, що містить КМЦ, у цьому випадку менше втрачає ці показники. Перевірка оптимальної кількості органічних компонентів у комплексній добавці показала, що ця величина практично відповідає оптимальній величині їхнього вмісту в системі за міцністю при стиску і величиною адгезії до бетону.

Установлені явища можна пояснити таким чином. КМЦ, що є простим ефіром, практично нерозчинна у воді, тому при змішуванні компонентів спеціального цементу КМЦ у його рідкій фазі буде перебувати у вигляді емульсії. Стійкість цієї емульсії буде забезпечувати залізовмісний компонент як грубодисперсна гідрофільна поверхнево-активна речовина. Оскільки олеат натрію має підвищену здатність до адсорбції на залізовмісних речовинах, то він адсорбується на поверхні цих речовин. Тобто у системі утворяться комплекси, ядра яких складаються з міцел КМЦ, покритих шаром залізовмісної речовини, навколо яких адсорбовано шар олеату натрію.

Унаслідок хемосорбції олеату натрію на поверхні залізовмісної речовини утворюються олеати заліза та гідрооксид натрію, що виділяється у рідку фазу:

СН(СН2)7СООН = СН(СН2)7СООNa + Fe + H2O >
> Fe[СН(СН2)7СООН = СН (СН2)7СОО]s(OH)f + p·NaOH.

Унаслідок цього збільшується величина водневого показника системи, що сприяє розчиненню КМЦ з утворенням її натрієвої солі Na-КМЦ:

C6H7O2(OH)2-OCH2COOН + NaОН >
> C6H7O2(OH)2-OCH2COONa + 2Н2О,

яка при взаємодії із залізовмісними компонентами утворює комплекси, подібні до полімерів, що сприяє підвищенню міцності й щільності одержаного цементного каменю. Одночасно утворюються залізо-органічні комплекси в результаті взаємодії залізовмісного компонента з олеатом натрію та з КМЦ.

У четвертому розділі наведено результати досліджень властивостей бетону в умовах динамічних впливів. В умовах експерименту збільшення вмісту в бетонній суміші заповнювачів, у загальному випадку, приводить до погіршення її легкоукладності, як і у звичайних бетонів. Однак застосування дисперсної системи “портландцемент – комплексна добавка” (спеціального цементного тіста), що містить у якості комплексної добавки суміш залізовмісної речовини, олеату натрію та карбоксиметилцелюлози, приводить до збільшення легкоукладності бетонної суміші. Аналіз результатів досліджень показав, що введення КМЦ до складу дисперсної системи “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію” приводить до зменшення впливу розрідження цементного тіста водою на її легкоукладність, що можна пояснити більшою водоутримуючою спроможністю КМЦ.

Уведення КМЦ до складу бетонної суміші приводить до збільшення її адгезії до поверхні бетону. Збільшення концентрації цементного тіста у бетонній суміші в усіх випадках приводить до підвищення величини адгезії останньої до бетону. Однак збільшення концентрації дисперсної системи в бетонній суміші понад 50практично не приводить до збільшення адгезії за рахунок зменшення впливу на властивості дисперсної системи заповнювачів бетонної суміші.

Вплив КМЦ на фізико-механічні властивості бетону аналогічний її впливу на властивості цементного каменю, але оптимальне співвідношення між олеатом натрію й КМЦ незначно зменшується, що можна пояснити впливом заповнювачів.

Зміна міцності бетону, що містить КМЦ, в часі як при стиску, так і при розтягу відрізняється від її зміни для бетону без КМЦ. Якщо бетони без КМЦ значно збільшують міцність на розтяг, то у бетонів з КМЦ таке збільшення міцності складає близько 25…30В умовах експерименту збільшення концентрації цементного каменю в бетоні до 50від його об'єму та введення КМЦ приводить до збільшення величини його адгезії до бетонної поверхні. При певній величині водоцементного відношення в спеціальному бетоні, величина його когезії стає меншою від величини його адгезії, і руйнування його контакту з бетонною поверхнею відбувається не за рахунок його відриву від бетонної поверхні, а за рахунок розриву самого спеціального бетону. В умовах експерименту зміна співвідношення між компонентами бетону приводить до зміни його початкового модуля пружності. Уведення до складу бетону КМЦ у кількості до 0,135від маси суміші “портландцемент – залізовмісна речовина” приводить до збільшення величини початкового модуля пружності бетону, подальше збільшення кількості КМЦ знижує його величину, при цьому усадка бетону, що містить КМЦ, у всіх випадках менша, а гранична стискальність вища, ніж у бетону аналогічного складу без КМЦ.

Отримані результати показали, що спеціальні бетони, які містять КМЦ, мають підвищену величину коефіцієнта динамічної міцності порівняно з бетонами без добавок та зі спеціальними бетонами, що містять залізовмісну речовину та олеат натрію, тобто за рівних умов – більшу величину міцності при стиску при дії ударних впливів. Це можна пояснити наявністю полімеризованих вуглеводневих радикалів олеїнової кислоти та КМЦ. При цьому бетон, що містить КМЦ, у віці 28 діб має коефіцієнт динамічної міцності при стиску, більший на 28ніж бетон без добавок, на 20більший, ніж бетон, що містить залізовмісну речовину та олеат натрію, та на 26більший, ніж бетон, що містить залізовмісну речовину, олеат та силікат натрію.

Це явище можна пояснити тим, що бетон за рахунок значної кількості органічних радикалів працює протягом короткого терміну дії динамічних (ударних) впливів тільки пружно, поглинаючи при цьому частку динамічної енергії. Наявність довгих ланцюгів радикалів ефіру целюлози, які мають пружність, вищу за пружність радикалів олеату та мінеральних продуктів гідратації портландцементу, у складі спеціальних бетонів з КМЦ, вочевидь, підвищує ступінь поглинання таким бетоном ударної енергії. Цей висновок підтверджено визначенням величини відскоку металевої кульки від поверхні спеціального бетону. Як показали дослідження, за рівних умов, величина відскоку від поверхні бетону, що містить КМЦ, на 20…30менша, ніж від поверхні бетону без добавок, і на 20менша, ніж від поверхні спеціального бетону, що містить тільки залізовмісну речовину та олеат натрію.

Динамічна міцність зчеплення бетону визначалася за спеціальною методикою, для чого між поверхнями зразків із затверділого бетону наносили шар цементного тіста, виготовленого як із цементу без добавок, так і з цементу, що містив залізовмісну речовину, олеат натрію, силікат натрію та КМЦ. Кількість добавок відповідала оптимальним величинам, установленим попередніми дослідами або наведеним у літературі. Як показали результати дослідів (табл. 1), цементний камінь, що містить КМЦ, відривається від поверхні бетону при більшій кількості ударів кульки, ніж інші бетони, що свідчить про більшу динамічну міцність його зчеплення з бетоном. Таким чином, дослідами встановлено, що введення КМЦ до складу спеціального, модифікованого залізом цементу приводить до збільшення динамічної міцності бетону при стиску на 20…30та його динамічної міцності зчеплення із затверділим бетоном на 40…80порівняно з відомими бетонами. Уведення КМЦ до складу спеціального бетону приводить до зменшення його проникливості та збільшення морозостійкості.

Таблиця 1.

Динамічна міцність зчеплення із затверділим бетоном

(за кількістю ударів)

Позначення
складу
бетону | Наявність у складі бетону | Кількість ударів до руйнування

залізовмісної речовини | олеату

натрію | силікату

натрію | КМЦ | абсолютна | відносна, %

П-1о | - | - | - | - | 26 | 100

П-1 | + | + | - | - | 38 | 146

П-1с | + | + | + | - | 32 | 123

П-1к | + | + | - | + | 47 | 181

Примітки: 1. П-1о – бетон не містить добавок.
2. П-1 – бетон містить залізовмісну речовину і олеат натрію.
3. П-1с – бетон містить залізовмісну речовину, олеат натрію і силікат натрію.
4. П-1к – бетон містить залізовмісну речовину, олеат натрію і КМЦ.

Вплив на властивості бетону терміну початку дії динамічних впливів, їхньої тривалості та інтенсивності, а також кількості повторних динамічних впливів виявився аналогічним їхньому впливу на цементний камінь. Як і для цементного каменю, уведення КМЦ приводить до зменшення негативного впливу динамічних навантажень на бетон (рис. 3, 4, 5). У той же час повторний динамічний вплив практично не впливає на величину адгезії бетону, отриманого в результаті твердіння спеціального цементного тіста, що містить КМЦ.

Рис. 3. Залежність адгезії спеціального бетону від тривалості динамічних впливів.

Рис. 4. Залежність адгезії бетону від кількості повторних динамічних впливів
(ПЦ – бетон на портландцементі, СЦ – бетон на спеціальному цементі,
СЦК – бетон на спеціальному цементі з КМЦ).

Рис. 5. Залежність адгезії спеціального бетону
від тривалості та інтенсивності динамічних впливів.

Аналіз характеру зміни фізико-механічних властивостей бетону, отриманого в результаті гідратації дисперсної системи “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію – КМЦ – заповнювачі” залежно від її вихідного складу показує, що максимальну міцність при стиску має бетон з вмістом 20залізовмісної речовини та 0,135КМЦ при наявності олеату натрію у кількості 0,27від маси суміші “портландцемент – залізовмісна речовина”. При цьому, як показав рентгеноструктурний аналіз, у цементному камені такого складу міститься найбільша кількість складних мінералів: трикальцієвого монокарбонату гідрофериту й гідросилікофериту кальцію.

Зміна вмісту залізовмісної речовини та КМЦ в досліджуваній дисперсній системі в той чи інший бік від оптимального приводить до зменшення кількості зазначених мінералів і, як показали попередні фізико-механічні випробування, зниження його експлуатаційних властивостей.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень впливу технології виготовлення спеціального бетону, що містить КМЦ та досвід його застосування.

Результатами досліджень визначено, що такий бетон має спеціальний порядок змішування компонентів, що полягає в змішуванні залізовмісної речовини з водяною емульсією КМЦ, потім з водяним розчином олеату натрію, додаванні портландцементу та заповнювачів і остаточному перемішуванні. Таким чином забезпечується найкраща легкоукладність бетонної суміші, найбільша міцність при стиску, найбільша адгезія до затверділого бетону й найменша деформативність бетону, що містить КМЦ. Це пояснюється надійним утворенням комплексів, основою яких є ядра з міцел КМЦ, які покриваються шаром залізовмісної речовини та шаром олеату натрію.

В умовах експерименту збільшення тривалості перемішування бетонної суміші приводить до поліпшення технологічних властивостей бетонної суміші та фізико-механічних властивостей бетону. Дослідами встановлено, що збільшення тривалості перемішування компонентів бетонної суміші понад 4 хв. практично не впливає на властивості бетонної суміші й бетону. Отже, при виготовленні бетонної суміші з КМЦ перемішування її компонентів варто робити протягом 4 хв. Таким чином, уведення КМЦ до спеціальної бетонної суміші приводить до необхідності збільшення тривалості її перемішування. Це пояснюється наявністю в системі КМЦ й гомогенізацією нею води, а також необхідністю забезпечення повнішого змочування водою зерен цементу, унаслідок чого прискорюється твердіння бетону.

За інших рівних умов, поверхнею затверділого бетону поглинається більша кількість дисперсної системи “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію – КМЦ” порівняно з цементним тістом без добавок. При цьому з цементного тіста більше поглинається води, ніж часток цементу, про що свідчить збільшення відношення маси поглинутого цементного тіста до маси поглинутої води. Отже, дисперсна система “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію – КМЦ” має підвищену адгезію до бетонної поверхні будівельної конструкції за рахунок підвищеного ступеня адсорбції компонентів цієї системи на бетонній поверхні й ступені проникнення системи в пори цієї поверхні.

Дослідно-промислова апробація проводилася на науково-виробничому підприємстві “Центр впровадження науково-технічних розробок “Шламобет” і в ТОВ “Авіапідприємство Нива” (м. Кривий Ріг). Розрахунки складу бетонів проводилися з урахуванням оптимального співвідношення між компонентами комплексної добавки та її вмісту в бетоні. Розроблений бетон було використано при ремонті оздоблювального зовнішнього покриття адміністративної будівлі підприємства “Шламобет”, що підлягає динамічним впливам від підривних робіт у розташованому неподалік залізорудному кар'єрі. Площа відремонтованої поверхні – 1456 м2. Застосування розробленого бетону дозволило зменшити вартість матеріалів і збільшити міжремонтний період покриття будівлі. За рахунок цього отримано економічний ефект у розмірі 66 060 грн. Розробленим бетоном було виконано ремонт вертолітних площадок ТОВ “Авіапідприємство Нива”, які в процесі експлуатації, при злетах і посадках вертольотів, сприймають динамічні впливи. Загальна площа відремонтованих площадок – 675 м2. Економічний ефект у розмірі 30 245 грн. отримано за рахунок зменшення витрат на матеріали і збільшення міжремонтних термінів експлуатації площадок. Загальний економічний ефект від упровадження розроблених бетонів у виробничих умовах склав 96  грн.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення практичного завдання, що полягає у визначенні властивостей і технології спеціальних бетонів, призначених для ремонту будівельних конструкцій, які піддаються динамічним впливам, з метою підвищення стабільності їх фізико-механічних властивостей і ефективності використання.

Основні наукові та практичні результати:

1. Теоретично визначено й експериментально доведено, що поліпшення і стабільність властивостей спеціального цементу, що являє собою дисперсну систему “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію”, в умовах динамічних впливів забезпечується за рахунок формування мікроструктури матеріалу в напрямку оптимізації співвідношення гідратних фаз, виду новоутворень і ступеня упорядкування їх структури, а також оптимізації характеру й ступеня зв'язування води в просторі штучного каменю, що твердіє, шляхом уведення в цю систему простого ефіру – карбоксиметилцелюлози.

2. Уперше визначено вплив карбоксиметилцелюлози на формування фазового складу й структуру спеціального цементу, отриманого на основі дисперсної системи “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію – карбоксиметилцелюлоза”. Установлено, що процеси структуроутворення в такій системі, на відміну від спеціального цементу без карбоксиметилцелюлози, зумовлені збільшенням на початкових стадіях твердіння кількості фізично зв'язаної води з подальшим формуванням мінералів, що містять значну кількість хімічно зв'язаної води. Це забезпечує формування штучного каменю зі щільною регулярно розподіленою кристалоподібною структурою.

3. Досліджено взаємозв'язок структури і властивостей штучного каменю, що формується на основі спеціального цементу з добавкою карбоксиметилцелюлози. Відзначено, що за її наявності збільшується кількість води, яка знаходиться як у фізично, так і хімічно зв'язаному стані, а також ступінь адсорбції та взаємодії компонентів цієї системи зі складовими затверділого бетону. Це приводить до підвищення на 10…12міцності при стиску та на 12…15адгезії до бетону, а також зниження його власних деформацій.

4. Методом математичного планування експерименту оптимізовано склад модифікованих в'яжучих систем. Установлено, що максимальні міцністні, адгезійні й мінімальні деформативні характеристики цементного каменю забезпечуються таким складом цементу: залізовмісна мінеральна речовина в кількості 20олеат натрію – 0,27карбоксиметилцелюлоза – 0,135від сумарної маси суміші “портландцемент – залізовмісна речовина”.

5. Установлено, що введення до складу бетону, яикй являє собою дисперсну систему “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію – заповнювачі”, карбоксиметилцелюлози забезпечує підвищення на 15…20його міцності при стиску, розтягу, а також адгезії до бетонної основи при дії динамічних впливів за рахунок утворення комплексних з'єднань на основі заліза, що містять значну кількість хімічно зв'язаної води, зростання ступеня гідратації цементу, зменшення міграції вологи й ступеня видалення води, а також мікроармування структури вуглеводневими радикалами вищих жирних кислот та простого ефіру за рахунок їхньої поліконденсації.

6. Отримано математичні моделі адгезії до бетонної основи спеціального цементу, що містить карбоксиметилцелюлозу; міцності при стиску; легкоукладності бетонної суміші від її складу, що дозволяють керувати структуроутворенням бетону, виготовленого на цьому цементі, шляхом зміни вихідного вмісту його інгредієнтів.

7. Визначено основні особливості технології приготування бетонної суміші, у тому числі порядок змішування її компонентів, який полягає в змішуванні залізовмісної речовини з водяною емульсією карбоксиметилцелюлози, потім з водяною емульсією олеату натрію, подальшому додаванні портландцементу і заповнювачів й остаточному перемішуванні компонентів. Визначено, що необхідна мінімальна тривалість змішування компонентів на 20…30більша від потрібної для бетонних сумішей аналогічного складу без карбоксиметилцелюлози. Це дозволяє одержувати бетонні суміші й бетони із заданими властивостями з урахуванням їхнього складу і вмісту в них карбоксиметилцелюлози.

8. Застосування розроблених бетонів у виробничих умовах підтвердило достовірність отриманих в роботі результатів та обґрунтованість висновків і рекомендацій щодо їх використання, що підтверджено актами впровадження і розрахунками економічного ефекту. Загальний економічний ефект у розмірі 96  грн. отримано за рахунок зменшення витрат на матеріали і збільшення міжремонтного періоду експлуатації ремонтованих конструкцій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шишкин А. А., Герасимова Е. В. Влияние знакопеременных нагрузок на адгезию полимерсодержащего бетона к строительным конструкциям // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково-технічний збірник. – Київ: НДІБК, 2006. – Вип. . – С. 99-104.

Особистий внесок здобувача: досліджено вплив знакозмінних навантажень на міцність зчеплення з бетонною поверхнею будівельної конструкції спеціального, модифікованого залізом бетону, що містить добавку карбоксиметилцелюлози.

2. Шишкін О. О., Герасимова К. В. Полімервміщуючі бетони на основі модифікованого залізом цементу // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Київ: НДІБК, 2006. – Вип. . – С. 48-53.

Особистий внесок здобувача: досліджено вплив комплексної добавки, що містить з'єднання заліза, натрієву сіль вищої жирної кислоти і карбоксиметилцелюлозу на ступінь гідратації бетонної суміші на основі портландцементу.

3. Шишкин А. А., Герасимова Е. В. Свойства контактной зоны стабилизированного бетона с материалами строительных конструкций // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. – Макіївка: ДонНАБА. – Вип. 2006-5 (61). – С. 175-178.

Особистий внесок здобувача: досліджено міцність зчеплення контактної зони стабілізованого бетону, що містить карбоксиметилцелюлозу з бетонною поверхнею будівельної конструкції.

4. Шишкин А. А., Герасимова Е. В. Бетоны с комплексной полимерной добавкой на основе железа и органических соединений // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. научн. тр. – Вып. № 37. – Дн-ск: ПГАСА, 2006. – С. 542-548.

Особистий внесок здобувача: визначено вплив карбоксиметилцелюлози на міцність при стиску і адгезію до бетонної поверхні бетонів з комплексною добавкою на основі заліза і органічних з’єднань.

5. Шишкин А. А., Герасимова Е. В. Поле составов полимерсодержащего бетона // Структура, свойства и состав бетона: Проектирование бетонов с заданными свойствами: Материалы V Научно-практического семинара. – Ровно: РГЦНТЭИ, 2006. – С. 205-210.

Особистий внесок здобувача: встановлено зв'язок складу спеціального бетону, що містить комплексну мінерально-органічну добавку з його фізико-механічними властивостями.

6. Шишкин А. А., Герасимова Е. В., Шишкина А. А. Влияние динамических воздействий на адгезию специального, модифицированного железом бетона // Разработка рудных месторождений: Науч.-техн. сб. – Кривой Рог: КТУ, 2007. – Вып. . – С. 220-223.

Особистий внесок здобувача: доведено можливість зменшення динамічних впливів на адгезію спеціального, модифікованого залізом бетону за рахунок уведення до його складу добавки карбоксиметилцелюлози.

АНОТАЦІЯ

Герасимова К. В. Властивості і технологія спеціального, модифікованого залізом бетону, в умовах динамічних впливів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Національна академія природоохоронного і курортного будівництва, Сімферополь, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення стабільності властивостей спеціальних, модифікованих залізом, бетонів за рахунок спрямованого формування структури цементного каменю в напрямку підвищення його міцності та адгезійного зчеплення із затверділим бетоном будівельних конструкцій, які підлягають динамічним впливам. Така спрямованість процесів забезпечується шляхом уведення до складу спеціального цементу, отриманого на основі дисперсної системи “портландцемент – залізовмісна речовина – олеат натрію”, добавки простого ефіру – карбоксиметилцелюлози. Вивчено вплив цієї добавки на формування фазового складу й структури дисперсної системи. Доведено, що введення до складу досліджуваної системи карбоксиметилцелюлози приводить до стабілізації фізико-механічних, у першу чергу адгезійних властивостей бетонів, що виражається у збільшенні міцності зчеплення спеціального бетону з добавкою карбоксиметилцелюлози із затверділим бетоном конструкції в умовах динамічних впливів. Визначено особливості технології отримання розроблених бетонів, які полягають в особливому порядку змішування компонентів та збільшенні тривалості їхнього перемішування. Результати роботи реалізовано в умовах дослідно-промислового виробництва.

Ключові слова: портландцемент, карбоксиметилцелюлоза, стабілізація, динамічні впливи, бетон, адгезія.

АННОТАЦИЯ

Герасимова Е. В. Свойства и технология специального, модифицированного железом бетона, в условиях динамических воздействий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь, 2007.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения стабильности бетонов, предназначенных для усиления и защиты строительных конструкций, подверженных динамическим воздействиям, за счет направленного формирования структуры цементного камня, увеличивающего его прочность и адгезионное сцепление с отвердевшим бетоном конструкции. Такая направленность процессов структурообразования обусловлена особенностью композиционного построения полученного вяжущего за счет введения в качестве добавки простого эфира – карбоксиметилцеллюлозы.

Изучены закономерности влияния добавки карбоксиметилцеллюлозы на формирование фазового состава и структуры дисперсной системы “портландцемент – железосодержащее вещество – олеат натрия”. Установлено, что процессы структурообразования в такой системе, в отличие от бездобавочных вяжущих, обусловлены высокой степенью физического связывания воды на начальных стадиях твердения с последующим образованием минералов с повышенным содержанием химически связанной воды.

Исследована