ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Романов Олександр Алімович

УДК 666.972

БЕТОНИ ПІДВИЩЕНОЇ ВОДОНЕПроникності

І МОРОЗОСТІЙКОСТІ

ДЛЯ ГІДРОМЕЛІОРАТИВНИХ СПОРУД

Спеціальність 05.23.05 - будівельні матеріали і вироби

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва і архітектури.

Науковий керівник: - кандидат технічних наук, доцент

Мішутін Андрій Володимирович,

Одеська державна академія будівництва

і архітектури, професор кафедри „Проектування

і будівництва автомобільних доріг”.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

заслужений діяч науки і техніки України,

Вознесенський Віталій Анатолійович,

Одеська державна академія будівництва і

архітектури, завідувач кафедри „Процесів та

апаратів в технології будівельних матеріалів”.

- кандидат технічних наук, доцент

Калінін Олег Анатольович, Українська

державна академія залізничного транспорту,

м. Харків, докторант кафедри будівельних

матеріалів, конструкцій та споруд

Провідна установа: - Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра технології будівельних виробів та матеріалознавства. м. Рівне.

Захист відбудеться “20” лютого 2007 р. об 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 Одеської державна академія будівництва і архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської державна академія будівництва і архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий “16” січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Макарова С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні переважна більшість гідромеліоративних споруд працюють вже декілька десятків років. Бетони цих споруд експлуатуються у важких умовах: піддаються зволоженню та висушуванню, зміні температур від –30 до +50С, тиску води та льоду – тому значна частина їх конструкцій потребує ремонту чи відновлення. Конструкції в гідромеліоративних спорудах мають невелику товщину: 15_ см для стінок насосних станцій, 8-12 см для стінок каналів та конструкцій водопропускних споруд. Через це серед найпоширеніших проблем, через які відбувається руйнування подібних конструкцій, це фільтрація води та дія морозу. Тобто актуальною є задача створення бетонів з високими показниками водонепроникності та морозостійкості для будівництва та відновлення гідротехнічних споруд меліорації. Також залишається актуальною задача створення високоякісного композиту для будівництва водопропускних і інших споруд, що працюють у контакті з водою, до яких висуваються підвищені вимоги по водонепроникності і морозостійкості.

Для цілеспрямованого підвищення водонепроникності бетонів в світовій та вітчизняній практиці в останні роки використовуються спеціальні системи добавок, які крім того, підвищують і морозостійкість композиту. Проте, для ефективного застосування цих системи з вітчизняними матеріалами, зокрема в різними типами пісків, необхідно оптимізувати склади композитів та методику робот при відновленні гідротехнічних споруд. Крім того, враховуючи вимоги високої рухливості до бетонів для будівництва та відновлення гідромеліоративних споруд разом з необхідністю забезпечення високих показників по міцності і морозостійкості, необхідна комплексна модифікація бетону добавками, які підвищують водонепроникність, сумісно з суперпластифікатором.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках державної програми „Прикладні розробки у сфері розвитку водного господарства (п.1 КПКВ-5001020)” Держводгоспа України, код теми Т_„Обстеження гідротехнічних споруд меліорації та розробка регламенту з технології виготовлення і застосування бетонів з добавками системи Пенетрон та С-3 для виготовлення та відновлення гідромеліоративних залізобетонних споруд”.

Метою роботи є підвищення водонепроникності і морозостійкості дрібнозернистого бетону для будівництва та відновлення гідротехнічних споруд меліорації за рахунок модифікації і оптимізації його складу.

Задачі дослідження:

- проаналізувати стан бетонних та залізобетонних конструкцій існуючих гідротехнічних споруд меліорації України, сформулювати вимоги до матеріалу для будівництва та відновлення цих конструкцій з урахуванням результатів обстежень і досвіду експлуатації існуючих конструкцій;

- провести вибір модифікаторів і експериментально дослідити вплив складу модифікованого дрібнозернистого бетону підвищеної водонепроникності та морозостійкості на фізико-механічні властивості композиту за умов високої рухомості бетонної суміші;

- проаналізувати вплив зернового складу піску на властивості модифікованих дрібнозернистих бетонів, враховуючи сировинну базу півдня України;

- побудувати комплекс експериментально-статистичних моделей (ЕС-моделей), що дозволяють оцінити вплив компонентів модифікованого дрібнозернистого бетону на досліджувані технологічні, фізико-механічні і експлуатаційні властивості матеріалу та провести обчислювальні експерименти для аналізу індивідуальних впливів факторів в сумішах рівної рухомості;

- спираючись на комплекс ЕС-моделей, провести пошук оптимальних складів модифікованих дрібнозернистих бетонів для споруд гідромеліорації з високими рівнями водонепроникності, морозостійкості та міцності;

- проаналізувати механізм дії модифікаторів на структуру дрібнозернистого бетону;

- розробити регламент по технології приготування і застосування модифікованих бетонів для будівництва і відновлення гідротехнічних споруд меліорації;

- впровадити результати досліджень при відновленні та будівництві бетонних та залізобетонних гідротехнічних споруд меліорації.

Об’єкт дослідження. Дрібнозернисті бетони рівної високої рухомості, модифіковані комплексною добавкою Пенетрон + С-3 для відновлення та будівництва бетонних гідротехнічних споруд меліорації.

Предмет дослідження. Закономірності впливу складу модифікованого дрібнозернистого бетону на його механічні та технологічні властивості, в т.ч. на водонепроникність та морозостійкість.

Методи досліджень. Параметри якості та фізико-механічні характеристики модифікованого дрібнозернистого бетону визначалися відповідно до нормативів на атестованому обладнанні. Експериментальні дослідження виконані по оптимальним планам. Побудова нелінійних експериментально-статистичних моделей виконувалася із застосуванням спеціалізованої системи COMPEX. Застосувалися рентгеноструктурний та мікроскопічний аналіз, аналіз технологічної пошкодженості бетону, сканування полів властивостей методом Монте-Карло для ізопараметричного аналізу і комп'ютерного пошуку оптимальних складів модифікованих композитів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- встановлені закономірності впливу факторів складу модифікованого дрібнозернистого бетону для будівництва та відновлення бетонних гідротехнічних споруд меліорації на його основні фізико-механічні властивості;

- показано, що використання нової комплексної добавки Пенетрон + С-3 дозволяє одержати бетони з високою рухомістю, міцністю, морозостійкістю та з високим рівнем водонепроникності;

- оцінено вплив зернового складу піску на рівні водонепроникності та морозостійкості модифікованого дрібнозернистого бетону;

- з використанням методів комп'ютерного матеріалознавства визначені раціональні склади дрібнозернистих бетонів, модифікованих комплексною добавкою Пенетрон + С-3;

- встановлено зв’язок між зміною технологічної пошкодженості бетону під дією заморожування та відтаювання з показником його морозостійкості, на основі цього запропоновано методику прискореної оцінки морозостійкості бетону;

Практичне значення отриманих результатів. За результатами виконаних в дисертації натурних і обчислювальних експериментів розроблені склади модифікованих дрібнозернистих бетонів для гідротехнічних споруд меліорації, отримано позитивне рішення по патенту на бетонну суміш з новою комплексною добавкою Пенетрон + С-3. Розроблено „Регламент з технології виготовлення і застосування бетонів з добавками системи Пенетрон та С-3 для виготовлення та відновлення гідромеліоративних залізобетонних споруд”, затверджений Держводгоспом України (наказ № 94 від 23 травня 2006 р). Запропоновано новий спосіб прискореного визначення морозостійкості бетону по рівню зміни його технологічної пошкодженості під дією заморожування і відтавання, отримано позитивне рішення по патенту на даний спосіб. Розроблені склади модифікованих бетонів використовувалися при відновленні гідротехнічних споруд меліорації півдня України.

Особисто здобувачем отримані:

- данні про стан та висновки про причини руйнування бетону конструкцій існуючих гідротехнічних споруд меліорації;

- експериментальні дані про властивості модифікованих добавками Пенетрон та С-3 дрібнозернистих бетонів для будівництва та відновлення гідротехнічних споруд меліорації;

- закономірності, що відображають вплив факторів складу на властивості композиту і комплекси чотирьох- та двохфакторних ЕС-моделей;

- оптимальні склади модифікованих дрібнозернистих бетонів для відновлення та будівництва бетонних та залізобетонних конструкцій гідротехнічних споруд меліорації;

- рекомендації по технології виготовлення та відновлення бетону гідротехнічних споруд меліорації з використанням добавок системи Пенетрон та С-3.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались на науково-практичному семінарі “Проектування бетонів із заданими властивостями: структура, властивості та склад бетону” (Рівне, 2006), міжнародному семінарі по моделюванню і оптимізації композитів МОК-45 (Одеса, 2006), науково-практичній конференції “Проблеми водного господарства: проектування, дослідження, будівництво та експлуатація гідротехнічних споруд для гідроенергетики, меліорації та водопостачання” (Рівне, 2006), науково-практичній конференції „Сучасні проблеми автодорожнього комплексу” (Київ, 2006), конференції „Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних матеріалів і конструкцій” (Одеса, 2006).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 9 роботах, з них 6 в спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 3 доклади на міжнародних конференціях і симпозіумах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку літературних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 153 сторінки, у тому числі 41 рисунок, 13 таблиць, список літератури з 140 найменувань і додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, приведені положення наукової новизни і практичної цінності одержаних результатів.

У першому розділі проведено аналіз літературних даних, що дозволив сформулювати мету і задачу роботи. Проаналізовано стан гідротехнічних споруд водного господарства на основі проведених натурних обстежень бетону залізобетонних конструкцій ряду таких споруд. Переважна більшість гідротехнічних споруд в Україні працюють все декілька десятків років. Бетони цих споруд експлуатуються у важких умовах: піддаються зволоженню та висушуванню, зміні температур від 30 до +50С, тиску води та льоду тому значна частина конструкцій гідротехнічних споруд потребує ремонту чи відновлення. Глибина корозійних пошкоджень бетону споруд, що обстежувалися, досягала 50 мм, а глибина карбонізації тих частин конструкцій, які експлуатувалися на повітрі, досягала 40 мм. Встановлено, що подальша експлуатація споруд, на яких проводилося обстеження, технічно та економічно доцільна за умов їх відновлення.

Проаналізовані роботи, присвячені корозії бетону і впливу насичення бетону водою на його фізико-механічні характеристики (В.М. Москвін, Ф.М. Іванов, В.В. Стольников, М.Г. Елкабідзе, І.М. Грушко, Н.А. Мощанський). Проведений огляд робіт, присвячених використовуванню хімічних добавок для покращання технологічних властивостей бетонних сумішей і механічних властивостей бетону (В.Г. Батраков, В.Б. Ратінов, В.І. Бабушкін, В. Рамачандран, С.В. Коваль, М.Ш. Файнер), а також створенню бетонів з підвищеною водонепроникністю і морозостійкістю (Ю.В. Чеховський, Л.Й. Дворкін, А.Е. Шейкін, А.А. Плугін).

Сформульована робоча гіпотеза дослідження: за рахунок введення сучасних модифікаторів та суперпластифікатору можна одержати бетон з високими рівнями рухливості, міцності, водопроникності та морозостійкості для відновлення та будівництва гідротехнічних споруд меліорації.

Проведені натурні обстеження та літературний аналіз дозволили сформулювати вимоги до бетону для відновлення конструкцій гідротехнічних споруд меліорації:

- рухливість сумішей ОК 14 см (пенетрація конусу не менше 8 см);

- водонепроникність не менше W10;

- морозостійкість не менше 300 циклів;

- адгезія “нового” бетону до “старого” не менше 1.5 МПа;

- міцність при стиску у водонасиченому стани не менше 40 МПа.

У другому розділі обґрунтовано вибір модифікаторів для бетону, описані методи досліджень і характеристики використаних матеріалів, а також методика проведення натурних обстежень стану бетону гідротехнічних споруд.

Проведений у першому розділі огляд робіт, в яких приведено дані досліджень бетонів з модифікаторами, спрямованими на підвищення водонепроникності і морозостійкості, показав, що максимальну ефективність мають сучасні модифікатори. Найпоширенішими в Україні з таких модифікаторів є системи Пенетрон, Ксайпенс та Віатрон. У попередніх експериментальних дослідженнях порівняно ефективність та технологічність використання вищеназваних систем. Всі три модифікатори майже не впливають на міцність бетону, проте Пенетрон Admix (Пететрон А) та Ксайпекс Admix показали більшу ефективність в підвищені водонепроникності та морозостійкості. Обрано Пенетрон A, завдяки її більшої технологічності. Також проаналізовано якість пісків півдня України і показано, що значна їх частина має модуль крупнисті нижче 1.5.

Експериментальні дослідження проводилися у 2 етапи. На першому етапі досліджувався вплив на властивості дрібнозернистого бетону для гідротехнічних споруд дозування цементу, добавки суперпластифікатору, Пенетрону A та рідкого скла. На другому етапі досліджувався вплив зернового с кладу піску та дозування Пенетрону, всі склади модифікувалися пластифікатором на одному рівні.

В експериментальних дослідженнях використовувався сульфатостійкий портландцемент марки 400. На першому етапі використовувався митий пісок з модулем крупнисті 2.8 та добавки суперпластифікатор С-3, натрієве рідке скло і Пенетрон A.

На першому етапі експеримент проводився по оптимальному 18-ти точковому плану. Варіювалися чотири фактори складу дрібнозернистого бетону: Х1 - дозування сульфатостійкого цементу, від 600 до 800 кг/м3; Х2 – дозування суперпластифікатору С-3 – від 0.6 до 1% від маси цементу; Х3 – дозування добавки Пенетрон A – від 0 до 3% від маси цементу; Х4 – дозування натрієвого рідкого скла – від 0 до 4% від маси цементу. Всі суміші мали рівну рухомість - від 8 до 10 см по пенетрації стандартного конусу.

На другому етапі експеримент проводився по семі-точковому оптимальному плану. Варіювалися два фактори складу дрібнозернистого бетону:

Х5 – вид піску: дрібний пісок, суміш пісків 1:1 чи крупний пісок. Як дрібний використовувався пісок Ранднецького кар’єру (Херсонська область) з Мкр= 0.98, як крупний – пісок Нікітивського кар’єру (Миколаївська область) з Мкр= 2.8;

Х3 – дозування Пенетрону A, варіювання фактору співпадає з першим етапом дослідження.

На другому етапі всі склади мали рівне дозування портландцементу – 700 кг/м3 і модифікувалися суперпластифікатором С-3 в кількості 0.8% від маси цементу (таке дозування добавки було обрано з урахуванням результатів першого етапу дослідження). Нормалізація факторів виконано по стандартній формулі.

Натурні обстеження стану бетону гідротехнічних споруд проводилися з використанням комплексної методики неруйнуючої оцінки стану конструкцій, я застосовувалась на ряді об'єктів України. Фізико-механічні характеристики бетону визначалися по стандартним методикам. Водонепроникність визначалося методу мокрої плями (ГОСТ 12730.5-84) на приборі для визначення водонепроникності дрібнозернистих бетонів на зразках товщиною 4 см і діаметром 10 см та контролювалось по повітропроникності на зразках 15155 см прибором „АГАМА-2”. Морозостійкість визначалася по прискореному методу у солоній воді при заморожуванні до –50С на установці “Frigera” на зразках-кубиках з ребром 7.07 см. Рентгеноструктурний аналіз виконувався на дифрактометрі ДРОН, мікроскопічна зйомка на оптичному мікроскопі NEOPFOT. Побудова і статистичний аналіз ЕС-моделей виконувався по типовим методикам. Загальна блок-схема роботи показана на рис.1.

У третьому розділі проаналізовані технологічні та фізико-механічні характеристики модифікованих бетонів. На першому етапі всі суміші мали рівну рухомість (від 8 до 10 см по пенетрації стандартного конусу), тобто водопотреба залежала від складу і по результатах її визначення було побудовано ЕС-модель впливу чотирьох факторів на Ц/В відношення, яке є основним структуроутворюючим фактором у бетоні (помилка експерименту sе=0.06):

Ц/В = 2.38 + 0.27x1

+ 0.04x2 – 0.03x2x4

– 0.13x3

– 0.39x4 + 0.05x42 (1)

Рис.1. Блок-схема досліджень.

Поле властивостей цієї моделі має максимум Ц/Вmax = 3.307 (при х1 = х2 = 1, х3 = х4 = –1) та мінімум Ц/Вmin = 1.624 (при х1 = х2 = –1, х3 = х4 = 1). Тобто максимальний рівень Ц/В та відповідно найщільнішу структуру мають композити з максимальним дозуванням цементу і пластифікатору та без Пенетрону А і рідкого скла.

Аналіз моделі (1) показав, що за рахунок додаткової водопотреби найбільш суттєво знижується Ц/В суміші при введенні рідкого скла. Зниження Ц/В, в свою чергу, погіршує всі основі показники якості матеріалу. Тому в подальшому аналізі розглядаються композити з мінімальним дозуванням рідкого скла, тобто локальне поле складів з зафіксованім значенням фактору x4= 1. Діаграма в вигляді куба, яка відображає вплив перших трьох факторів складу на Ц/В суміші, показана на рис.2.a. Як можна побачити на рисунку, зі зростанням дозувань цементу та суперпластифікатору природно підвищується Ц/В суміші. Проте введення в склад суміші Пенетрону A знижує Ц/В за рахунок додаткової водопотреби цієї добавки.

Досліджувались механічні властивості матеріалу. Одержані дані про міцність матеріалу як в водонасиченому (при довгому вільному водонасичені), так і в сухому (висушеному до постійної маси при температурі 1052С) стані.

Діаграма, яка відображає вплив факторів складу на міцність при стиску в водонасиченому стані показана на рис.2.б. Її аналіз дозволяє сказати, що оптимальним є введення у склад дрібнозернистого бетону близько 0.8% суперпластифікатору С-3. Введення Пенетрону A теж підвищує міцність, хоч и не істотно, незважаючи на зни-

ження при цьому Ц/В суміші. Це можна пояснити тім, що ця добавка складається частково із озширюючогося цементу. Аналіз впливу факторів на міцність на розтягування при згині в водонасиченому стані показав, що введення до складу бетону Пенетрону A також несуттєво, хоч і позитивно впливає на цій показник якості композиту. Вплив факторів на показники міцності бетону в сухому стані майже аналогічний їх впливу у водонасиченому стані.

Дослідження рівня коефіцієнта розм’якшення показали що дозування суперпластифікатору С-3 не впливає на Kw, що можна пояснити майже однаковим впливом цього модифікатору на міцність бетону як у сухому, так і у водонасиченому станах, а введення Пенетрону A збільшує водостійкість бетону. Тобто можна сказати, що цей модифікатор підвищує міцність при стиску для водонасиченого матеріалу більш істотно, ніж для сухого. Але основна роль цієї добавки, як зазначалося вище, в підвищенні водонепроникності бетону.

Зважаючи на реальні умови виробництва бетонів, на 2-му етапі додаткового досліджувався вплив зернового складу піску на властивості бетону з комплексною добавкою Пенетрон + суперпластифікатор С-3. Всі суміші також мали рівну рухомість (101см по пенетрації конусу), тобто водопотреба теж залежала від складу і по результатах її визначення було побудовано ЕС-модель. Її аналіз дозволив сказати, що бетони з крупним піском мають нижчу водопотребу і, відповідно вище Ц/В суміші за умов рівної рухомості, що природно. Необхідно відмітити, що склади, в яких частка дрібного піску не перевищувала 40% (1/1.5) мали В/Ц нижче 0.4, тобто суміші пісків мали достатньо щільну структуру. Введення в склад суміші Пенетрону А, як і на першому етапі, несуттєво знижує Ц/В.

Вплив крупнисті піску та дозування Пенетрону на міцність бетону при стиску в водонасиченому стані адекватно описує ЕС-модель (sе= .5 МПа):

Rb.w (МПа) = 38.1 + 9.7x5 – 4.0x52 – 1.6x5x3 (2)

+ 1.6x3 – 1.7x32

Поле властивостей цієї моделі має максимум Rb.w.max = 43.83 МПа (при х5 = 1, х3 = 0.01) та мінімум Rb.w.min = 21.1 МПа (при х5 = х3 = – 1). Діаграма, яка побудована по моделі (2) показана на рис.3.

Аналіз діаграми дозволяє сказати, що найбільш суттєво на міцність композиту впливає зерновий склад піску (внаслідок значної зміни В/Ц суміші). Склади з дрібним піском мають рівень цього базового показника якості набагато нижче, ніж склади з крупним піском чи з сумішшю пісків з часткою дрібного до 15% (1/6). Введення до складу бетону Пенетрона A дещо збільшує міцність, незважаючи на додаткову водопотребу добавки, що співпадає з даними першого етапу досліджень. Причому для складів с дрібним піском максимальну міцність мають композити з вмістом 2.5-2.8% Пенетрону, а для складів з крупним піском – 1.5-2%.

Аналіз впливу факторів на міцність на розтягування при згині в водонасиченому стані, та на міцність на стиск та розтягування в сухому стані дозволяє сказати, що характер їх впливу збігається з їх впливом на міцність при стиску водонасиченому стані.

В цілому можна сказати, що вплив Пенетрону A на показники міцності є незначним, як і на першому етапі експерименту. Проте можна зробити висновок про істотний вплив зернового складу піску. За умови рівної рухливості бетони з крупним піском або сумішшю пісків з часткою дрібного близько 1/6 мали рівні міцності на 60-70% вище, ніж бетони на дрібному піску (з модулем крупнисті біля одиниці).

У четвертому розділі проаналізовано впливу комплексної добавки Пенетрон + С_та зернового складу піску на водонепроникність та морозостійкість бетону, а також описано результати досліджень структури модифікованого композиту.

В експерименті досліджувався рівень водонепроникності бетону. Хоча стандартом передбачені лише класи W2, W4 і так далі, для аналізу використовувались і проміжні значення і для рівня W на першому етапі одержано адекватну ЕС-модель (sе=0.8 МПа):

W (МПа) = 12.74 + 2.37x1 1.81x12 + 0.89x1x3

0.52x2 1.43x22 + 0.44x2x3

+ 4.00x3 (3)

Поле властивостей моделі (3) має локальний максимум Wmax = 18.21 МПа (при х1 = 0.9, х2 = 0.03, х31) та мінімум Wmin = 5.11 МПа (при х1 = х3 1, х2 = 1) Діаграму, яка побудована по цієї моделі, показано на рис.4. к можна побачити з діаграми, при введенні Пенетрону A в склад дрібнозернистого бетону його водонепроникність збільшується майже в 2 рази: з 6 до 11..12 МПа для композитів з дозування цементу близько 600 кг/м3 та з 7..8 до 18 МПа для композитів з дозування цементу близько 800 кг/м3. Таким чином Пенетрон A є дуже ефективною добавкою для підвищення довговічності матеріалу, який експлуатується вводі та вологих умовах, а також при постійному гідравлічному тиску. Причому її ефективність підвищується за рахунок введення оптимальної кількості суперпластифікатору.

Вплив зернового складу піску та дозування добавки Пенетрон A на водонепроникність бетону описує отримана на 2-му етапі дослідження ЕС-модель (sе=0.7 МПа):

W (МПа) = 11.67 + 2.74x5 – 2.06x52 (4)

+ 2.75x3

Згідно даних цієї моделі максимальний рівень водонепроникності Wmax = 15.3 МПа мають склади з співвідношенням дрібного та крупного піску близько 1/6 (х5=0.67) та з максимальним дозуванням Пенетрону (х3=1), мінімальний рівень – Wmin = 4.1 МПа – склади з дрібного піску (х5 = –1) та без Пенетрону (х3= _). Діаграма, побудована по моделі (4) показана на рис.5.

Аналізуючи вплив зернового складу піску можна сказати, що бетони не модифіковані Пенетроном на дрібному піску мають рівень водонепроникності в 2-2.5 рази нижче, ніж бетони на крупному піску. Але для складів з максимальним дозування Пенетрону менш відчувається вплив виду піску – рівень W змінюється в залежності від заповнювача не більше, ніж 1.5 рази (від 10 до 15 МПа). Максимальну водонепроникність мають склади бетонів з суміші пісків, в яких співвідношення дрібного та крупного піску знаходиться на рівні близько 1/6, що дозволяє рекомендувати такі склади для відновлення та виробництва відповідальних бетонних конструкцій споруд гідромеліорації.

На першому етапі для композитів була досліджена морозостійкість і була одержана ЕС-модель впливу факторів на цей показник якості (sэ=20 циклів):

F (цикли) = 425.3 + 39.8x1 + 56.8x12 16.9x1x2 + 22.5x1x3

45.7x22

+ 40.8x3 28.2x32 (5)

Діаграма, побудована по моделі (5) показана на рис.6. На діаграмі можна побачити, що за рахунок введення комплексної добавки Пенетрон + С-3 можна підвищити даний показник якості дрібнозернистого бетону на 100-150 циклів, а для найміцніших складів досягається рівень F в 550 циклів.

Дослідження впливу зернового складу піску і дозування Пенетрону A показали, що бетони на дрібному піску не модифіковані Пенетроном показали рівень морозостійкості нижче 300 циклів, що не дозволяє використовувати ці композити для гідротехнічних споруд меліорації. Але, при введені до подібних складів (з х5 –1) 3% Пенетрону рівень F підвищується майже до 400 циклів. Склади з крупного піску чи з сумішей пісків з переважанням частки крупного мають достатній рівень морозостійкості – не нижче 350 циклів. Модифікація же дрібнозернистого бетону Пенетроном A за даними другого етапу дослідження дозволяє підняти його морозостійкість на 100-150 циклів при введені до 3% добавки, що збігається з результатами, одержаними на першому етапі.

Для більш ретельного вивчення впливу добавки Пенетрон А на водонепроникність бетону у обчислювальному експерименті був проведений ізопараметричний аналіз зі складами, в яких зафіксовані значення рухомості суміші та міцності композиту. Вже за умов натурного експерименту рухливість сумішей постійна, а у обчислювальному експерименті додатково зафіксовано значення міцності при стиску у водонасиченому стані, як одного з базових показників якості для гідромеліоративного бетону. Проаналізовані локальні поля із зафіксованим значенням дозування добавки С-3 0.8% (х2=0).

У першому випадку изопараметричний аналіз проводився за умови міцності, рівної 45 МПа (ширина напівкоридору DRb.w, доповнюючого ізопараметричну умову була прийнята в 2 МПа.) З 3000 генерованих в обчислювальному експерименті методом Монте-Карло точок у вказаний коридор потрапили близько 28% точок. Далі для цих точок розраховані значення величини водонепроникності W. Таким чином, проаналізовано значення W за умови рівної рухливості суміші і рівної міцності композиту (зафіксована у обчислювальному експерименті). Результат аналізу для даного поля показано на рис.7.a. Як видно з рисунку, введення добавки Пенетрон A значно збільшує водонепроникність бетону. Важливо відзначити, що при міцності всіх складів в межах 45±2 МПа (тобто ширина коридору менше 6% від зафіксованої величини), W має вельми широкий розкид точок для складів з однаковим дозуванням Пенетрону А.

Результат ізопараметричного аналізу, проведеного в аналогічному (х2=0) локальному полі, але при величині міцності при стиску зафіксованої на рівні 50 МПа, показаний на рис.7.б. Можна зробити висновок, що для більш міцних складів характер залежності водонепроникності від дозування Пенетрону має лінійний вигляд, при цьому загальний рівень W для даних складів теж дещо вищий, що природне. Нетривіальним є той факт, що не дивлячись на те, що в коридор потрапили близько 23% точок, тобто не істотно менше ніж в пером випадку, W має набагато більш вузьку область розсіяння. Це може бути пояснено тим, що в області більш міцних складів водонепроникність у меншій мірі залежить від незначних коливань дозування цементу, обумовлених завданням коридору, і показник W може бути підвищений тільки за рахунок введення добавки Пенетрон A.

З метою порівняти, як збігається зміна водонепроникності бетону при модифікації добавками зі зміною пористості, яка для „традиційних” бетонів в основному і визначає цій показник якості, досліджувалась величина відкритої пористості матеріалу. По моделі, що описує вплив факторів складу цей показник (% по об’єму) побудована діаграма, яка показана на рис.8 (рівень фактору x1=0). Як можна побачити на діаграмі, добавка Пенетрон A знижує пористість матеріалу, але не більше ніж на 7-8%. Таким чином можна зробити припущення, що дія добавки складається не лише в заповнюванні тріщини та пор, а в перерозподілі форми пор та „лікуванні” тріщин та капілярів.

Вивчення механізму дії Пенетрону на структуру бетону проводилося, зокрема, рентгеноструктурним аналізом модифікованих композитів. У результаті фазового аналізу встановлено, що складові Пенетрону A взаємодіють з мінералами цементу. При мікроскопічному аналізі було виявлено проростання кристалічних новоутворень в пори і тріщини бетону, що співпадає з літературними даними.

Аналіз коефіцієнту технологічної пошкодженості бетону по площі показав, що сама величина KnS відрізняється між зразками із окремих складів не більше, ніж на 19%, але розподіл на поверхні технологічних тріщин у композитів з різних складів принципово відрізняється. Композити з рідким склом мають більш довгі тріщини, які розділяють матрицю бетону на окремі доволі великі масиви. На поверхні зразків із складів без рідкого скла з Пенетроном малюнок тріщин має більш дискретний вигляд: тріщини набагато коротші, хоча їх більше. З метою одержання більш виразних числових показників впливу складу модифікованого дрібнозернистого бетону на коефіцієнт пошкодженості бетону KnS оцінювалась зміна цього показника KnS під впливом 5 циклів заморожування та відтаювання в солоній воді при температурі 505єС.

Під дією морозу найменш змінилася технологічна пошкодженість бетонів, модифікованих Пенетроном A. Це можна пояснити специфічною дією складових добавки, які кольматують пори та капіляри у бетоні. Слід відмітити, що коефіцієнт кореляції між рівнем KnS та морозостійкістю бетону F дорівнює –0.856. Тобто зразки, у яких в меншій мірі змінилася технологічна пошкодженість показують більшу морозостійкість. На підставі даного висновку був запропонований спосіб прискореного визначення морозостійкості бетону по рівню зміни його технологічної пошкодженості під дією заморожування і відтавання. Отримано позитивне рішення про видачу патенту на даний спосіб визначення морозостійкості.

П’ятий розділ присвячено дослідженню спряження “старого” та “нового” бетонів і впровадженню результатів досліджень.

Дослідження впливу факторів складу модифікованого композиту на спряження зі “старим” бетоном показало, що за рахунок модифікації Пенетроном А підвищується рівень адгезії “нового” бетону зі “старим” приблизно на 0.3 МПа – від 1.7..1.8 МПа до 2..2.1 МПа. Імовірно, це зростання обумовлено проростанням кристалів новоутворень модифікованого Пенетроном А бетону, яке спостерігається при твердінні зразків у воді (що відповідає умовам експлуатації гідротехнічних споруд). Важливе те, що цей ефект практично не залежить від крупнисті піску. Таким чином, за рахунок модифікатора можна підвищити якість спряження “нового” і “старого” матеріалів при відновленні гідротехнічних споруд практично незалежно від якості піску. Також важливо відзначити, що і для рівня адгезії модифікованого композиту ефективність Пенетрона А підвищується при введенні оптимальної кількості суперпластифікатору.

В дослідженнях окрім складів модифікованих дрібнозернистих бетонів з підвищеними морозостійкістю та водонепроникністю також розроблялися оптимальні технологічні прийоми виготовлення та застосування цих матеріалів при відновленні та будівництві гідротехнічних споруд меліорації. По результатам роботи був розроблений „Регламент з технології виготовлення і застосування бетонів з добавками системи Пенетрон та С-3 для виготовлення та відновлення гідромеліоративних залізобетонних споруд", затверджений Держводгоспом України (наказ № 94 від 23 травня 2006 р). Отримано позитивне рішення про видачу патенту на бетонну суміш з добавками Пенетрон А і С-3.

Розроблені склади дрібнозернистих бетонів, модифіковані комплексною добавкою Пенетрон + С-3, використовувалися при:

- відновленні бетону гідротехнічного тунелю діаметром 5 м каналу Дніпро-Донбас на ПК 318+35 м;

- відновленні бетону докової частини ГНС головного Каховського магістрального каналу;

- відновленні бетону головного шлюзу греблі обвалування р. Дунай.

Контроль якості модифікованого композиту на відновлених спорудах показав адгезію між “старим” та “новим” бетонами не нижче 1.5 МПа, міцність при стиску не менш 45 МПа, водонепроникність не нижче W12, морозостійкість не нижче 300 циклів. По всім зазначеним вище об’єктам отримано акти впровадження.

Висновки

1. Одержано склад дрібнозернистого бетону підвищеної водонепроникності і морозостійкості для будівництва і відновлення гідротехнічних споруд меліорації з новою комплексною добавкою Пенетрон А + С-3.

2. По результатам натурних обстежень гідротехнічних споруд меліорації, які експлуатуються від 20 до 40 років, встановлено, що їх використання технічно та економічно доцільно. Проте бетон цих споруд має глибину корозійних пошкоджень до 50 мм, глибину карбонізації до 40 мм та втрату міцності до 25%. Проведені обстеження і аналіз літературних даних дозволили сформулювати вимоги до бетону для відновлення і будівництва гідротехнічних споруд меліорації.

3. Обґрунтовано вибір модифікаторів. Показано, що модифікація дрібнозернистого бетону на основі сульфатостійкого портландцементу комплексною добавкою Пенетрон A + С-3 дозволяє одержати бетонну суміш з високим рівням рухливості та композит підвищеної міцності при стиску і розтягуванні при згині як у водонасиченому, так і сухому стані.

4. Аналіз комплексу експериментально-статистичних моделей показав, що для більшості показників якості модифікованого композиту (рухомість, міцність, морозостійкість і водонепроникність) ефективне введення добавки С_в кількості 0.8% від маси цементу.

5. Одержані оптимальні склади модифікованих дрібнозернистих бетонів. Показано, що введення Пенетрону A збільшує водонепроникність бетону у 1.5-2.5 рази. Ефективність даної добавки підвищується за рахунок введення оптимальної кількості суперпластификатору. Рівень водонепроникності модифікованого комплексною добавкою бетону досягає 16 МПа.

6. Для бетонів на дрібному піску модифікація Пенетроном A дає на 50-60% більше підвищення рівня водонепроникності ніж для складів на крупному піску. Максимальний рівень більшості досліджених показників якості модифікованого бетону мають склади з крупно піску чи з суміші пісків, в яких співвідношення дрібного і крупного піску складає близько 1:6.

7. Модифікація бетону комплексною добавкою Пенетрон A + С-3 підвищує морозостійкості матеріалу на 100-150 циклів. Модифіковані композити мають рівень морозостійкості не менше 400 циклів. Оцінка зміни технологічної пошкодженості бетону при заморожуванні та відтаюванні дозволяє визначити морозостійкість матеріалу.

8. Рентгеноструктурним і мікроскопічним аналізами встановлено, що складові Пенетрона A взаємодіють з мінералами цементу. Дія добавки обумовлена створенням кристалічних новоутворень, яки кольматують пори і капіляри бетону.

9. Результати дослідженні впроваджено у виробництво. Розроблений „Регламент з технології виготовлення і застосування бетонів з добавками системи Пенетрон та С_для виготовлення та відновлення гідромеліоративних залізобетонних споруд", затверджений Держводгоспом України. Отримано позитивне рішення по видачі патенту на бетонну суміш з добавками Пенетрон А і С-3. Бетони, модифіковані комплексною добавкою Пенетрон + С-3, використовувалися при відновленні бетону гідротехнічних споруд меліорації. Модифіковані композити показують адгезію між “старим” та “новим” бетонами не нижче 1.5 МПа.

Основні положення дисертації опубліковано у роботах:

1. Комплексные задачи и решения по диагностике бетонных и железобетонных конструкций объектов гидромелиоративного назначения / А.А. Романов, А.В. Мишутин, Б.М. Усаченко, В.Н. Сергиенко // Геотехнічна механіка: Міжвідомча збірка наукових праць. Вип. 51. – Дніпропетровськ, 2004 – С. 127- 134.

2. Мишутин А.В. Романов А.А. Повышение долговечности бетонов мелиоративных сооружений – Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури, Випуск 14 - Одеса: Вид-во ЗРС, 2004. – С. 170-172.

3. Шавва К.И., Мишутин А.В., Романов А.А., Заволока Ю.В. Комплексная количественная оценка уровня качества химических добавок для бетонов и ремонтных композиций, используемых в мелиоративном строительстве – Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури, Випуск 15 - Одеса: Вд-во ЗРС, 2004. – С. 302-308.

4. Мішутін А.В., Кровяков С.О., Романов О.А. Вплив комплексних добавок на водонепроникнення дрібнозернистих бетонів – Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури, Випуск 20 - Одеса: Місто майстрів, 2005. – С. 273-278.

5. Мішутін А.В., Кровяков С.О., Романов О.А. Вплив комплексної добавки суперпластифікатор С-3 + Пенетрон на властивості дрібнозернистого бетону // Дороги і мости. Випуск 6: Збірка наукових статей – Київ, 2006. – С. 257-266.

6. Мішутін А.В., Романов О.А. Дослідження взаємозв’язку морозостійкості та технологічної пошкодженості модифікованого дрібнозернистого бетону – Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури, Випуск 23 - Одеса: Місто майстрів, 2006. – С. 215-220.

7. Романов О.А., Мішутін А.В., Кровяков С.О. Дрібнозернисті бетони для гідромеліоративних споруд, модифіковані комплексною добавкою Пенетрон + С-3 // Проектування бетонів із заданими властивостями: Мат-ли V науково-практичного семінару „Структура, властивості та склад бетону”. – Рівне, Вид-во РДЦНТіЕІ, 2006. – С. 168-174.

8. Романов О.А. Модифіковані дрібнозернисті бетони для гідромеліоративних та гідротехнічних споруд // Моделирование и оптимизация в материаловедении: Мат-лы 45-го междун. сем. MOK45. – Одесса: Астропринт, 2006. – С. 76-78.

9. Кровяков С.А., Мишутин А.В., Романов А.А. Изопараметрический анализ водонепроницаемости модифицированных бетонов для сооружений гидромелиорации // Моделирование и оптимизация в материаловедении: Мат-лы 45-го междун. сем. MOK45. – Одесса: Астропринт, 2006. – С. 52-54.

Особиста участь автора в роботах [1-7,9] – проведення натурних обстежень гідротехнічних споруд меліорації, експериментальних робіт, побудова математичних моделей технологічних і фізико-механічних властивостей дрібнозернистих бетонів і їх інтерпретація, розробка вимог до матеріалу для будівництва та відновлення бетону споруд меліорації.

АНОТАЦІЯ

Романов Олександр Алімович. Бетони підвищеної водонепроникності і морозостійкості для гідромеліоративних споруд. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали і вироби. - Одеська державна академія будівництва і архітектури, Одеса, 2007 р.

Обстеження гідротехнічних споруд показали, що основними причинами руйнувань бетонних конструкцій є фільтрація води та дія морозу. Встановлено, що модифікація дрібнозернистого бетону комплексною добавкою Пенетрон A + С_дозволяє одержати матеріал з високими рівнями рухливості і міцності. Досліджено вплив зернового складу піску, показано, що максимальний рівень для більшості показників якості мають бетони з суміші пісків з співвідношенням дрібного і крупного 1:6. Введення Пенетрону A до складу бетону збільшує його водонепроникність у 1.5-2 рази і морозостійкість на 100-150 циклів, а ефективність добавки підвищується за рахунок введення оптимальної кількості С_. Рівень водонепроникності модифікованого бетону досягає 16 МПа, морозостійкості – 550 циклів. Розроблено „Регламент з технології виготовлення і застосування бетонів з добавками системи Пенетрон та С-3 для виготовлення та відновлення гідромеліоративних залізобетонних споруд". Бетони, модифіковані добавкою Пенетрон + С-3, використовувалися при відновленні бетону гідротехнічних споруд.

Ключові слова: дрібнозернистий бетон, гідротехнічні споруди меліорації, Пенетрон A, суперпластифікатор, зерновий склад піску, водонепроникність, морозостійкість, експериментально-статистичне моделювання, відновлення залізобетону.

АННОТАЦИЯ

Романов Александр Алимович. Бетоны повышенной водонепроницаемости и морозостойкости для гидромелиоративных сооружений. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2007 г.

Проведены натурные обследования гидротехнических сооружений, установлено, что основными причинами разрушений бетонных и железобетонных конструкций являются фильтрация воды и действие замораживания и оттаивания. Бетон этих сооружений имеют глубину коррозийных повреждений до 50 мм, глубину карбонизации до 40 мм и потерю прочности до 25%. Cформулированы требования к материалу для строительства и восстановления конструкций сооружений мелиорации с учетом результатов обследований и опыта эксплуатации существующих конструкций. Обоснован выбор модификаторов для получения композита повышенной водонепроницаемости и морозостойкости. Эксперименты проводились по оптимальным планам в два этапа. На первом этапе варьировались дозирование сульфатостойкого портландцемента,