КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ МІНРЕГІОНБУДУ УКРАЇНИ

ПОПРУГА Петро Вікторович

УДК 691.32.001

ПЛАСТИФІКОВАНІ БЕТОННІ СУМІШІ НА ОСНОВІ ГІР-2

ДЛЯ РЕМОНТУ І ВІДНОВЛЕННЯ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології будівельних конструкцій і виробів Київського національного університету будівництва і архітектури та у відділі технології виготовлення залізобетонних конструкцій Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій, Мінрегіонбуду України.

Науковий керівник – Доктор технічних наук, професор

Шейніч Леонід Олександрович,

Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри технології будівельних конструкцій і виробів

Офіційні опоненти – Доктор технічних наук, професор

Барабаш Іван Васильович,

Одеська державна академія будівництва та архітектури,

завідувач кафедри міського будівництва і господарства

Кандидат технічних наук

Гончар Вадим Петрович,

ТОВ «Фомальгаут-Полімін», м. Київ,

начальник досліджувальної лабораторії

Захист відбудеться 06.06.2008 р. о 13 год. хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 „Основи та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби. Екологічна безпека” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 05.05. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. Суханевич М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значного поширення у будівництві набуває застосування високоміцного бетону для ремонту та відновлення будівель і споруд. Такі споруди часто експлуатуються в корозійному середовищі. Відомо, що цементи, які містять залізовміщуючі сполуки мають більшу корозійну стійкість ніж цементи з алюмінатними сполуками. На сьогодні в літературі існують фундаментальні дослідження взаємодії цементів, що містять алюмінатні сполуки, з поверхнево-активними добавками. Для залізовміщуючих цементів дані дослідження майже відсутні. Застосування цементів, що містять залізисті сполуки, в системі модифікованих бетонів, з їх подальшим використанням для ремонтних робіт та монолітного будівництва, потребує вивчення вибіркової дії хімічних добавок на цементи, особливостей протікання процесів гідратації в присутності добавок, умов формування ранньої міцності тощо. Достатньо ефективним високоміцним безусадним цементом, що виробляється промисловістю при відносно невеликій вартості, є портландцемент ГІР-2, модифікований сульфатзалізовміщуючою добавкою.

Отже, створення, високоміцних ремонтних бетонів модифікованих поверхнево-активними речовинами на основі безусадного цементу ГІР-2, із сульфатзалізовміщуючими сполуками, є актуальним завданням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота була виконана на кафедрі технології будівельних конструкцій і виробів Київського національного університету будівництва і архітектури та у відділі технології виготовлення залізобетонних конструкцій Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Мінбуду України, у рамках договорів №.1184 “Разработка и исследование высокопрочного бетона для высотного монолитного домостроения” і №1408 “Дослідження властивостей сталефібробетону”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності використання ремонтних бетонних сумішей з ГІР-2 та суперпластифікаторів і мінеральних добавок з урахуванням їх вибіркової дії на структуроутворення бетону.

Аналіз робіт дозволяє висунути гіпотезу про можливість одержання високоміцних бетонів для ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій з пластифікованих високорухомих сумішей;

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

- встановити вибір сировинних матеріалів для одержання високоміцного ремонтного бетону;

- дослідити взаємодію поверхнево-активних речовин з сульфатзалізовміщуючими добавками з цементом на їх основі;

- створити і оптимізувати склади ремонтних високоміцних бетонів на основі цементу ГІР-2;

- дослідити основні технологічні властивості ремонтних бетонних сумішей і бетонів на основі цементу ГІР-2;

- провести дослідно-промислове впровадження ремонтних високоміцних бетонів та встановити їх техніко-економічну ефективність.

Об’єктом досліджень є модифіковані бетонні суміші і бетони (ремонтні і товарні).

Предметом досліджень є сумісність суперпластифікаторів різної хімічної природи з цементом ГІР-2 та мінеральними добавками.

Методи досліджень. Фізико-механічні властивості вихідних та одержаних матеріалів вивчені із залученням традиційних методик за діючими нормативними документами; структуроутворення цементного каменю досліджено із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу (диференційно-термічного, хімічного і рентгенофазового), а також електронної мікроскопії.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично обґрунтовано і за допомогою калориметричного і пластометричного методів експериментально підтверджено, що активізатор тверднення, який містить сульфат заліза, випалену глину, піддається більш високому ступеню диспергації поверхнево-активними речовинами ніж алюмінати кальцію. Це забезпечує інтенсивну гідратацію портландцементного клінкеру з одержанням високоміцного цементу (ГІР-2) та бетонів на його основі з високими фізико-механічними показниками, які дозволяють застосовувати такі бетонні суміші для ремонтних робіт;

- доведено сумісність використаного полікарбоксилатного суперпластифікатора SVC 5-600 та мінеральної сульфатзалізовміщуючої добавки, що проявляється в синергічному ефекті при твердінні запропонованих бетонів;

- розкрито механізм синтезу високоміцного бетону на основі пластифікованого цементу ГІР-2, що полягає в інтенсифікації процесу диспергації сульфатзалізовміщуючої добавки та в проявленні стеричного ефекту завдяки введенню до ГІР-2 полікарбоксилатного суперпластифікатора. Це сприяє прискоренню утворення в цементному камені дрібнокристалічних змішаних гідросульфоалюмиферитів та низькоосновних гідросилікатів кальцію;

- показано, що в ряду суперпластифікаторів (полікарбоксилатного (SVC 5-600), акрилатного (SR-3), нафталінформальдегідного (C-3)) застосування полікарбоксилатної добавки в бетонних сумішах з ГІР-2 дозволяє найбільш ефективно керувати процесом структуроутворення бетонної суміші та бетону, на противагу застосуванню бетонних сумішей без активізатора, де застосування акрилатних добавок є найбільш ефективним;

- встановлено, що введення суперпластифікаторів у цементну суміш на основі ГІР-2 змінює мікроструктуру цементного каменю в напрямку одержання дрібнокристалічної щільної структури.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновані склади ремонтних високоміцних бетонів для залізобетонних конструкцій;

- розроблені рекомендації застосування високоміцних бетонів на основі цементу ГІР-2 при проведенні ремонтних робіт;

- проведено випробування високоміцного бетону з ГІР-2 у промислових умовах при ремонті залізобетонних конструкцій мосту “Південний” через ріку Дніпро у місті Києві. Застосування такого бетону дозволяє подовжити термін експлуатації відремонтованих залізобетонних конструкцій мосту. Економічний ефект від впровадження ремонтного високоміцного бетону на основі цементу ГІР-2 становить 84902 грн. для 4 м3 ремонтної бетонної суміші.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні експериментальних досліджень, обробці одержаних результатів, впровадженні розроблених матеріалів у виробництво і відображений у наукових працях:

- досліджено та вивчено властивості високоміцних бетонів на основі портландцементу, модифікованого сульфатзалізовміщуючою добавкою для ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій 1;

- виявлено вплив різних добавок (суперпластифікаторів) сумісно з мінеральними добавками (мікрокремнеземом, золою) на властивості бетонної суміші та бетону. Визначені такі важливі характеристики: ступінь розрідження та час збереження рухомості бетонної суміші, показники міцності бетону[2];

- досліджено фізико-механічні показники бетонної суміші та бетону на основі цементу ГІР-2 та різних добавок[3];

- досліджено сумісний вплив суперпластифікатора та мінеральної добавки на реологічні властивості бетонної суміші, міцність та деформативність бетонів [4];

- досліджено властивості бетонної суміші та бетону з полікарбоксилатною добавкою. Визначені такі важливі характеристики: ступінь розрідження та час збереження рухомості бетонної суміші, показники міцності бетону [5];

- встановлено вплив акрилової добавки з різними модифікаторами на властивості бетонної суміші та бетону. Встановлені такі важливі характеристики: ступінь розрідження та час збереження рухомості бетонної суміші, показники міцності бетону[6];

- вивчено властивості щебеню деяких кар’єрів України для отримання високоякісних бетонів [7];

- проведенно роботи по розробці складів і технології високоміцних безусадних бетонів на основі сульфатзалізовміщуючого цементу ГІР-2 та полікарбоксилатних суперпластифікаторів, досліджено усадку та модуль пружності цих бетонів [8];

- досліджено пластичну міцність цементу ГІР-2. Проведені дослідження щодо визначення відносного тепловиділення ГІР-2 сумісно із суперпластифікаторами [9].

Апробація результатів дисертації.

Основні положення роботи представлені на: 65-67-й науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури
(м. Київ, 2004-2006 р.); 45-ому міжнародному семінарі з моделювання і оптимізації композитів (МОК`45) (м. Одеса, 2006 р.); Міжнародна науково-практична інтернет конференція «Стан сучасної будівельної науки 2004» у Полтавському державному центрі науково-технічної та економічної інформацій (м. Полтава, 2004 г.).

Публікації.

Основні положення дисертації викладені в 9 друкованих працях, з них 4 статей у наукових фахових виданнях України, 1 стаття у науково-технічному журналі, 4 статті у матеріалах доповідей конференцій та міжнародних семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 140 сторінок і включає 121 сторінку основного тексту, 48 рисунків, 17 таблиць, список використаних літературних джерел з 127 найменувань на 12 сторінок, а також 4 додатки на 7 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі і основні наукові результати досліджень, показано їх практичне значення.

У першому розділі наведено аналітичний огляд стану проблеми і обґрунтовані напрямки досліджень.

Бетони, які придатні для застосування при ремонті залізобетонних конструкцій, повинні мати підвищені показники щодо міцності, адгезії і деформативності. Традиційні бетони не мають такого комплексу властивостей, що значною мірою пояснюється застосуванням при їх створенні звичайних цементів. Для одержання високоміцних бетонів для ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій необхідно використовувати спеціальні безусадні цементи та хімічні добавки. Таким безусадним цементом, що випускається промисловістю і визначається високими показниками міцності та іншими позитивними характеристиками при достатньо невеликій вартості, є сульфатзалізовміщуючий портландцемент ГІР-2. Отже, проблема створення ефективних ремонтних високоміцних бетонів на основі цементу ГІР-2 є актуальною.

Аналіз літературних джерел свідчить про те, що ефективність ремонтних складів бетону забезпечується завдяки стійкості по відношенню до впливу навколишнього середовища і експлуатаційних навантажень, високому ступеню адгезії до матеріалу відновлюючих конструкції.

Так, для створення оптимальних ремонтних складів бетону необхідно підібрати відповідні вихідні матеріали. Труднощі, які виникають при підборі загальновідомих матеріалів, пов’язані з недостатнім ефективним використанням їх при ремонті бетонних і залізобетонних конструкцій.

Проведений аналіз наукових праць В.Г. Батракова, І.В. Барабаша, Н.Ф.Башликова, В.М. Вирового, Я.Л.Віхмана, С.С Каприелова, О.О.Калашнікова, О.С. Коломацкого, С.В.Коваля, П.В. Кривенка, Н.В. Лушнікової, А.П. Никіфорова, В.М. Пунагіна, Н.М. Руденка, Р.Ф. Рунової, М.А. Саницького, О.В. Ушеров-Маршака, В.Р.Фалікмана, М.Ш. Файнера, О.О. Шишкіна та інших дозволив узагальнити та систематизувати інформацію про структуру, властивості та способи отримання високоміцних ремонтних бетонів.

Властивості високоміцних бетонів на сьогодні в значній мірі залежать від виду хімічних і мінеральних добавок.

Пошук раціональних добавок є одним із важливих етапів проектування технології високоміцного ремонтного бетону. Так, найбільш поширені та прогресивні добавки в наш час на основі: нафталінформальдегіда, акрилатів та полікарбоксилатів.

Великого розповсюдження досягли суперпластифікатори на основі продуктів конденсації нафталінсульфокислоти та формальдегіду.

Так, механізм дії добавок нафталінформальдегідного типу оснований переважно на ефекті електростатичного відштовхування частин цементу і їх стабілізації. Адсорбційні шари молекул суперпластифікаторів збільшують величину дзета потенціалу на поверхні цементних частинок. Чим більша величина адсорбції, тим більша абсолютна величина дзета потенціалу.

Суперпластифікатори на основі акрилатних полімерів містять у своєму складі в середньому 20-30% акрилового полімера та 70-80% води. Акриловий суперпластифікатор діє як за рахунок проявлення електростатичного відштовхування, так і стеричного ефекту.

Суперпластифікатори на основі полікарбоксилатів – це суміш синтетичних, розчинних у воді поверхневоактивних розгалужених прищеплених сополімерів та полімерів. У складі полікарбоксилатів присутні активні групи: -OH; -COO-; -CO-. Дія полікарбоксилатних добавок в бетонній суміші базується на одночасному використанні декількох фізико-хімічних явищ.

При дії суперпластифікаторів полікарбоксилатного та акрилатного типу значення впливу дзета потенціалу менше, а сумісне відштовхування частин цементу і стабілізація суспензії забезпечуються за рахунок значного стеричного ефекту. Таку відмінність можливо пояснити будовою молекул суперпластифікаторів різних типів: нафталінформальдегідні характеризуються лінійною формою полімерної структури, для суперпластифікаторів акрилатного та полікарбоксилатного типу характерні поперечні зв’язки у дво- або три- просторових напрямах.

Оскільки в реальних виробничих умовах використовують портландцемент, хімічний і мінералогічний склад якого змінюється, суттєвим є встановлення зв’язку величини адсорбції активної речовини суперпластифікатора на цементах різного складу, з дозуванням суперпластифікатора, необхідного для одержання максимально пластифікуючого ефекту.

Вплив активних мінеральних добавок (АМД) на адсорбційну здатність цементу досить різний. Підвищення гідравлічної активності АМД збільшує адсорбцію суперпластифікаторів на частинках портландцементу.

Як показано на численних дослідженнях, алюмінатні сполуки мають досить високу реакційну здатність.

Найбільшу адсорбційну здатність має С3А. Це пояснюється значним збільшенням питомої поверхні за рахунок пептизації і утворення високодисперсних гідратних новоутворень (гідроалюмінатів), що обумовлює енергійне поглинання суперпластифікатору з суміші.

Вплив алюмінатних сполук на властивості бетону досить добре вивчений.

У той же час існують цементи із значною кількістю залізовміщуючих сполук. Для численної групи феритних і алюмінатних сполук клінкера, наповнювачів і добавок взаємозв’язок реакцій, які відбуваються при гідратації і твердінні цементів, не вивчений. До таких цементів, зокрема, відноситься портландцемент модифікований сульфатзалізовміщуючою добавкою ГІР-2.

Такий цемент вміщує активізатор тверднення на основі відходів виробництва двоокису титану, що містить, поряд із закисним сірчанокислим залізом, і сірчану кислоту. Для зв'язування останньої та одержання FeSO4·(n)H2O відходи обробляють метакаоліном. Бетони на його основі за рахунок формування Aft фаз характеризуються низькою усадкою та мають цінні будівельно-технічні властивості.

У той же час вплив суперпластифікаторів на залізовміщуючі мінерали та цементи, до складу яких вони входять, не вивчений.

Виходячи з вищезазначеного, була запропонована наступна наукова гіпотеза.

Одержання високоміцних бетонів для ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій з пластифікованих високорухомих сумішей можливе при утворенні в цементному камені на основі ГІР-2 низькоосновних гідросилікатів кальцію за рахунок прискорення тверднення клінкеру, внаслідок інтенсифікації процесу диспергації сульфатзалізовміщуючої добавки сумісної із суперпластифікатором зі стеричним ефектом.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів і основні методи досліджень фізико-механічних властивостей вихідних та отриманих матеріалів за діючими нормативними документами.

Як основний компонент бетонів, що досліджувалися, використовували високоміцний портландцемент ГІР-2, М 600, згідно з ТУ У Б В.2.7–1–95, виробництва Харківського дослідного цементного заводу, а в якості еталонного цементу - бездобавочний портландцемент ПЦІ, М 500, згідно з ДСТУ Б В.27–46–96, Кам’янець-Подільського заводу. Швидкотверднучий високоміцний цемент ГІР-2 із зниженою усадкою, підвищеною сульфатостійкістю і морозостійкістю, призначений як для загальнобудівельних, так і для спеціальних робіт. Інститутом Укрдіцемент та Харківським дослідним цементним заводом встановлено, що ефективність добавки проявляється вже на стадії помелу цементу ГІР-2. Як мінеральні добавки використовували мікрокремнезем, що відповідає ТУ 14-5-157-87 (відходи виробництва заводу феросплавів м. Стаханов Луганської обл.) і суху золу Ладижинської ТЕС, згідно з ГОСТ 25818-91 та ДСТУ Б В.2.7-72-98.

В якості суперпластифікаторів застосовували нафталінформальдегідну добавку С-3, та добавки на основі акрилатів (SR-3) та полікарбоксилатів
(SVC 5-600) (відповідно постачальники - “Mapeі” та “Sica”).

Виробництво високоякісних бетонів, у тому числі високоміцних, насамперед залежить від якості сировини, зокрема від якості крупного заповнювача. Для з’ясування найбільш доцільного типу заповнювача для створення високоякісних бетонів був проведений аналіз декількох кар’єрів України: Малинського, Гніванського, Кіровського, Сілецького, Івано-Долинського, Коростенського та Світловодського.

Окрім аналізу паспортних характеристик щебеня, були відібрані його проби (фракцій 0 - 5, 5 - 10, 10 - 20) і проведені власні лабораторні випробування згідно з
вимогами ДСТУ Б В.2.7-74-98, ДСТУ Б В.2.2-75-98. Ці дослідження включали визначення зернового складу, пустотності і вмісту лещадних включень. Також досліджували вміст пилуватих частинок у крупному заповнювачі.

У результаті проведеної роботи по аналізу щебеня різних кар’єрів зроблено висновок, що найбільш доцільним для одержання високоякісних та високоміцних бетонів є використання щебеня Світловодського кар’єру, оскільки щебінь цього кар’єру має найбільшу міцність і стабільні характеристики.

В якості дрібного заповнювача використовували Дніпровський річний кварцовий пісок з Мк = 1.7, згідно з ДСТУ Б В.2.7-32.

Дослідження фазового складу активізатора тверднення та цементних систем здійснювали за допомогою рентгенофазового, диференційно-термічного та електронно-мікроскопічного аналізів.

Проводились дослідження тепловиділення та пластичної міцністі цементу та активізатору.

Експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей бетонів та бетонних розчинів виконані за стандартними методиками.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу суперпластифікаторів на властивості активізатору, цементної суміші і цементного каменю отриманого на цементі ГІР-2.

Активізатор тверднення портландцементу складається з відходів каолінового виробництва та сумського заводу хімвиробництва.

Для встановлення фазового складу активізатора та визначення його змін в процесі тверднення цементу був проведений на модельних системах комплекс фізико – хімічних досліджень. Він включав рентгенофазовий, диференційно-термічний та електронно-мікроскопічний аналізи.

Так, за даними рентгенофазового аналізу активізатор має рефлекси, що можна віднести до FeSO4·H2O. Також у системі присутній FeSO4·7H2O, SiO2 та Al2(SO4)3·17H2O.

При замішуванні активізатора тверднення водою характер рентгенограм частково змінився сполуки FeSO4·7H2O залишилися тоді як FeSO4·H2O зникає і з’являється Fe(SO4)3·10H2O. На рис.1 показана мікроструктура зразка затверділого активізатора тверднення, зачиненого водою на 28 добу. На мікрофотографії зокрема спостерігаємо голчасті кристалічні сполуки, які відповідають FeSO4·7Н2О.

Рис.1 Мікроструктура затверділого активізатору тверднення,
зачиненого водою

У процесі тверднення цементу відщеплюється Са(ОН)2, тому були зроблені моделі на основі СаО + активізатор тверднення + Н2О. Кількість СаО була обрана виходячи з розрахунків утворення високоосновних гідросульфоалюмоферитів кальцію.

Після введення до складу активізатора хімічно чистого СаО і змішування його з водою спостерігаються піки з інтенсивністю d = 0,298, 0,226, 0,184 нм, що відповідають високосульфатній формі гідросульфофериту кальцію – 3СаОFe2O33CaSO432H2O. Це також підтверджується ендоефектом при 1750С.

Мікроструктура штучного каменю на основі активізатора з СаО, змішуваного з водою, наведена на рис. 2. Вона має вигляд голчастих кристалів, що відповідає
високоосновній формі гідросульфоферитів кальцію та їх змішаній формі з алюмінатною фазою.

а б

Рис.2 Мікроструктура затверділого активізатора із СаО зачиненого водою

а) (3Ca·Fe2O3·3CaSO4·32H2O);

б) ([Са3(Аl,Fe)(ОН)6·12Н2О]2·(SO4)3·2Н2О)

Для науково обґрунтованого визначення технологічних режимів обробки бетонних сумішей, створених на цементах з активізатором тверднення, було вивчено вплив суперпластифікаторів на їх структуроутворення.

Досліджено вплив суперпластифікаторів на процеси структуроутворення активізатору під час зміни його пластичної міцності та процесу тепловиділення. В якості еталону порівняння було прийнято тісто хімічно чистого С3А (рис. 3).

Тепловиділення та пластична міцність відрізняються від інших властивостей тим, що вони безпосередньо пов’язані з гідратацією і супроводжують цей процес від початку. Тому було доцільно визначити пластичну міцність та тепловиділення досліджуваних сполук та даних сполук з досліджуваними добавками (суперпластифікаторами).

Кінетику зростання міцності структури твердіючого тіста досліджували на пластометрі П.А.Ребіндера.

Приготовлене тісто нормальної густини шляхом змішування активізатора тверднення з водою починало тужавіти через 2 години, тоді як весь процес завершувався через 6 годин. Пластичність С3А, замішеного водою, становила: початок тужавлення 15 хв., кінець - 30 хвилин.

а б

Рис.3 Мікроструктура затверділого С3А:

(а) зачиненого водою, (б) зачиненого водою та
полікарбоксилатним суперпластифікатором

Тривалий час тужавлення активізатора тверднення пояснюється його мінералогічним складом. Головним процесом, що визначає механізм дії гідратації активізатора, є приєднання води до сульфатів, гідросульфатів заліза та алюмінію.

Введення до активізатора тверднення разом із водою зачинення суперпластифікаторів призводить до уповільнення процесів гідратації як для активізатора тверднення, так і С3А.

Такий ефект суперпластифікаторів пояснюється природою їх дії. На початковій стадії вони дозволяють більш тривалий термін зберігати пластичність суміші без суттєвої її втрати.

Різний ефект дії суперпластифікаторів на С3А та активізатор тверднення пояснюється різною їх взаємодією з мінеральною складовою. Так, для тіста С3А та активізатора тверднення зачинених розчином суперпластифікатора С-3 початок тверднення зростає приблизно в 1,5 раза. Це пояснюється тим, що добавка С-3 при однаковому дозуванні не суттєво чутлива до мінералогії досліджуваних цементів. Добавка на основі акрилатів більш чуттєва до мінералогії цементів будь-якого типу. Так при застосуванні SR-3 початок тужавлення С3А зростає приблизно в 1,7 разів, тоді як для активізатору у 2 рази.

У той же час відносна дія полікарбоксилатної добавки на С3А значно менша ніж на активізатор. Так, початок тверднення для активізатора зростає у 3 рази, а для С3А тільки у 2 рази порівняно з контрольними. Це пояснюється тим, що при використанні SVC 5-600 частинки мінеральної речовини, крім дії електростатичного відштовхування, ще додатково диспергуються суперпластифікатором за рахунок його стеричного ефекту, який виникає через головні і додаткові ланцюги сторін молекул полікарбоксилатної групи, до якої відноситься SVC 5-600. Тому, коли використовується цей суперпластифікатор, він більш інтенсивно диспергує активізатор, оскільки останній містить значну кількість водорозчинних сполук, що лише диспергуються, у той час як алюмінати кальцію за рахунок меншої розчинності диспергуються менше.

Також були проведені дослідження тепловиділення сумішей на основі алюмінатів кальцію та активізатора.

Так, було встановлено, що для активізатора тверднення загальне тепловиділення при взаємодії з водою на 3 добу було 10 кал/г, тоді як для С3А воно було більше 110 кал/г, з яких виділення 60 кал/г спостерігалося після 10 годин твердіння.

Досить низьке тепловиділення суміші активізатора з водою пояснюється низькою активністю сполук, які представлені сульфатзалізовміщуючими речовинами та процесами диспергацій, які відбуваються з поглинанням теплової енергії.

Добавка С-3 зменшує кількість виділеного тепла для активізатора на 3 добу до 7 кал/г, а для С3А загальне тепловиділення залишилося на тому ж рівні, що і без суперпластифікатора.

Акриловий суперпластифікатор SR-3 зменшує загальну кількість виділеного тепла для активізатора до 6 кал/г, що майже у два рази менше ніж без суперпластифікатора, тоді як тепловиділення С3А зменшується несуттєво, до 109 кал/г, у порівнянні із 112 кал/г для суміші без суперпластифікатора.

Добавка SVC 5-600 знижує загальне тепловиділення активізатора на 3 добу в 2 рази, з 10 до 5 кал/г, а для С3А - до 102 кал/г.

Таким чином, тепловиділення суміші активізатора і добавок на 3 добу зменшилося для С-3 - на 30%, SR-3 - на 40% та SVC 5-600 - на 50% у порівнянні з тепловиділенням активізатора без добавок. Тоді як тепловиділення для С3А з С-3 було на одному рівні, SR-3 зменшилося на 3%, а з SVC 5-600 зменшилося на 9% але швидкість тепловиділення при цьому змінилася.

Одержані результати тепловиділення підтверджують висновки, зроблені при визначенні пластичної міцності. Вони свідчать про більш високий диспергуючий ефект активізатора тверднення при використанні суперпластифікатора SVC 5-600 ніж С3А.

У процесі гідратації портландцементу від мінералів клінкера відщеплюється Са(ОН)2, яке повинно взаємодіяти з активізатором тверднення.

Гідратоутворення в твердіючій системі (активізатор + CаО + Н2О), відбувається завдяки синтезу кальцієвих гідратів та феритно і алюмінатносульфатних сполук.

Для такої ж суміші із суперпластифікатором SVC 5-600 початок тужавлення при визначенні пластичної міцності настає через 50 хв., завершення через 1 годину 30 хвилин. Тепловиділення приблизно складає 67 кал/г на 3 добу. Такий показник пояснюється інтенсивною взаємодією СаО з водою та активізатором.

Встановлені закономірності структуроутворення активізатора тверднення дозволяють перейти до вивчення цементу з таким активізатором тверднення (ГІР-2).

За еталон було прийнято портландцемент М500 тип Й.

Для портландцементу початкова втрата пластичної міцності (0,015 МПа) настає через 55 хвилин, кінцева (0,06 МПа) за - 1 годину 30 хвилин. Досліджуваний цемент ГІР-2 має початкову втрату пластичності (0,02 МПа), через 45 хвилин, кінцеву (0,09 МПа) за - 1 годину 10 хвилин.

Швидку втрату пластичності цементу із залізовміщуючими сполуками можна пояснити утворенням таких гідратних новоутворень, як змішані високоосновні гідросульфоалюмоферити кальцію та голчасто-волокнисті гідросилікати кальцію, що вміщують значну кількість зв’язаної води (рис.4).

а б

Рис. 4 Мікроструктура цементного каменя на основі цементу ГІР-2, (7 доба):

а) гідросилікати кальцію та високоосновні змішані
гідросульфоалюмоферити кальцію (Ч 1000);

б) високоосновні змішані гідросульфоалюмоферити кальцію (Ч 5000)

Так, згідно даних рентгенофазового аналізу, після 7 діб тверднення в складі продуктів гідратації цементу ГІР-2 є портландіт. Також відзначені рефлекси, що можна віднести до СSН (В) і змішані гідросульфоалюмоферити кальцію.

Введення усіх досліджуваних суперпластифікаторів до цементного тіста дозволяє тривалий час (у порівнянні з контрольними зразками тіста) зберігати його рухомість.

Завдяки введенню добавки спостерігаємо зовсім іншу структуру гідросилікатів кальцію та змішаних гідросульфоалюмоферитів кальцію. У випадку гідратації цементу ГІР-2 змішані гідросульфоалюмоферити та гідросилікати кальцію мають досить великий розмір. У випадку ж введення суперпластифікатора
SVC 5-600 разом з водою замішування структура гідросилікатів кальцію та змішаних гідросульфоалюмоферитів кальцію стає більш дрібнокристалічною. Утворюється щільне монолітне тіло з незначними тріщинами в об’ємі. Це сприяє підвищенню міцності та довговічності цементного каменю.

Як відомо, процеси гідратації та тверднення цементів супроводжуються тепловиділенням. Тому були проведені дослідження тепловиділення сумішей на основі цементу ГІР-2, портландцементу та їх сумішей з суперпластифікаторами (рис.5, 6).

Рис. 5 Вдносне тепловиділення дослідного цементу ГІР-2

Рис. 6 Відносне тепловиділення портландцементу М500

Так, для звичайного портландцементу більш ефективно застосовувати акрилатний суперпластифікатор, а для цементу ГІР-2 полікарбоксилатний. Це пояснюється як встановлено більшим диспергуючим ефектом SVC 5-600 на активізатор тверднення з відповідним уповільненням тверднення ГІР-2, ніж його дією на звичайний портландцемент.

Четвертий розділ присвячено дослідженню ефективності властивостей бетонних сумішей та бетонів на основі портландцементу модифікованого сульфатзалізовміщуючою добавкою із різними хімічними та мінеральними добавками.

У результаті проведених досліджень встановлено, що найбільшого зменшення кількості води замішування в бетонних сумішах з цементом ГІР-2 одержано при використанні полікарбоксилатного суперпластифікатора. Дещо нижчі показники зменшення кількості води замішування мають бетонні суміші з акриловим суперпластифікатором.

Встановлено, що введення в бетонну суміш мінеральних добавок разом із суперпластифікаторами дозволяє знизити витрату води з відповідним покращенням фізико-механічних характеристик бетонів.

Доведено, що бетонна суміш на основі цементу ГІР-2 із суперпластифікаторами C-3 та SR-3 втрачає рухомість протягом двох годин у середньому на: 4-3 см – П2; 4-5 см – П4; 4-5 см – П5. Найменші зміни втрати рухомості бетонної суміші на цементі ГІР-2 протягом двох годин спостерігалися в комплексі з полікарбоксилатною добавкою SVC 5-600 і складали 2-3 см у середньому для усіх досліджуваних марок. Тоді як для бетонних сумішей контрольного складу на портландцементі з добавками-суперпластифікаторами С-3, SR-3 та SVC 5-600 втрата рухомості за такий же період складала : 4-5 см – П2;
7-8 см – П4; 5-6 см – П5.

Встановлено, що введення мінеральних добавок у склад бетонних сумішей дозволяє збільшити витрати суперпластифікаторів та підвищити фізико-механічні характеристики бетонів.

У результаті проведених досліджень встановлено, що найбільш ефективно застосовувати суперпластифікатор SVC 5-600 для бетону на цементі ГІР-2 без або з мінеральною добавкою (мікрокремнеземом, золою). Для контрольного портландцементу встановлено, що найбільш ефективно застосовувати акрилатний суперпластифікатор SR-3 без або з мінеральною добавкою (мікрокремнеземом, золою).

Наявність необхідної сумісності полікарбоксилатної добавки SVC 5-600 з цемнтом ГІР-2 та з мінеральними добавками (мікрокремнезем, зола) дозволяє перейти до досліджень властивостей високоміцних ремонтних бетонів.

У п’ятому розділі досліджено будівельно-технічні властивості високоміцних бетонів на основі ГІР-2.

Поєднання полікарбоксилатного суперпластифікатора із золою чи мікрокремнеземом в оптимальних співвідношеннях забезпечує досягнення заданого комплексу реологічних і механічних властивостей сумішей, придатних для проведення ремонтних робіт. За допомогою такого комплексу добавок вдається поліпшити властивості суміші (об’єм утягнутого повітря, легкоукладальність, тривалість збереження життєздатності, зниження водовідділення і розшарування, а також підвищення ступеня однорідності). Всі ці параметри є основними
складовими при формуванні структури і характеристик затверділого високоміцного бетону.

Так, у таблиці 1 приведені оптимальні витрати матеріалів для отримання високоміцних бетонів.

Таблиця 1

№, складу | Портландцемент, кг | ГІР-2, кг | Щ, кг фр.5..10 | Щ, кг

фр.10....20, | Пісок, кг | Вода, л | Зола, кг | Мікрокремнезем, кг | Марка

за рухомістю | Суперпластифікатор, л

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11

1 | - | 520 | 253 | 932 | 592 | 238 | - | - | Р2 | -

2 | - | 520 | 253 | 932 | 562 | 255 | - | - | Р4 | -

3 | - | 520 | 253 | 932 | 538 | 286 | - | - | Р5 | -

4 | 520 | - | 253 | 932 | 612 | 221 | - | - | Р2 | -

5 | 520 | - | 253 | 932 | 582 | 249 | - | - | Р4 | -

6 | 520 | - | 253 | 932 | 558 | 276 | - | - | Р5 | -

7 | - | 520 | 253 | 932 | 504 | 132 | 62.4 | - | Р2 | 12.48

8 | - | 520 | 253 | 932 | 497 | 142 | 62.4 | - | Р4 | 12.48

9 | - | 520 | 253 | 932 | 486 | 150 | 62.4 | - | Р5 | 12.48

10 | 520 | - | 253 | 932 | 512 | 130 | 62.4 | - | Р2 | 12.48

11 | 520 | - | 253 | 932 | 505 | 138 | 62.4 | - | Р4 | 12.48

12 | 520 | - | 253 | 932 | 494 | 144 | 62.4 | - | Р5 | 12.48

13 | - | 520 | 253 | 932 | 504 | 142 | - | 88.4 | Р2 | 12.48

14 | - | 520 | 253 | 932 | 474 | 147 | - | 88.4 | Р4 | 12.48

15 | - | 520 | 253 | 932 | 450 | 153 | - | 88.4 | Р5 | 12.48

16 | 520 | - | 253 | 932 | 524 | 140 | - | 88.4 | Р2 | 12.48

17 | 520 | - | 253 | 932 | 494 | 148 | - | 88.4 | Р4 | 12.48

18 | 520 | - | 253 | 932 | 470 | 155 | - | 88.4 | Р5 | 12.48

Склади досліджуваних бетонів

Одержані високоміцні ремонтні бетони на 28 добу мали міцність на стиск:
110 МПа марка за рухомістю Р2, мінеральна добавка-мікрокремнезем; 84 МПа марка за рухомістю Р2, мінеральна добавка зола; 99 МПа марка за рухомістю Р4, мінеральна добавка мікрокремнезем; 77 МПа марка за рухомістю Р4, мінеральна добавка зола; 92 МПа марка за рухомістю Р5, мінеральна добавка мікрокремнезем; 70 МПа марка за рухливістю Р5, мінеральна добавка зола.

Для визначення адгезії досліджуваних цементів в умовах склеювання застосовується метод нормального відриву. Одержані результати наведені на рис. 7.

Аналіз діаграми показує, що адгезія для цементних сумішей з однаковою витратою води, хімічної та мінеральної добавок зростає майже у два
рази для сумішей на основі цементу ГІР-2, у порівнянні з сумішами на портландцементі.

Для високоміцних бетонів на основі цементу ГІР-2 оптимальна витрата полікарбоксилатного суперпластифікатора становить 2,4%, мікрокремнезему 17% і золи 12% від маси цементу. Для аналогічних складів бетонів на портландцементі оптимальний вміст добавок складав: для мікрокремнезему-15%, для золи-10%.

Ефективність введення більшої кількості високодисперсних мінеральних добавок до цементу ГІР-2 пояснюється утворенням у ньому при твердненні залізовміщуючих гідратних сполук з високою питомою поверхнею, що потребує відповідно більшої кількості мінеральних добавок для укриття гідратних новоутворень.

Рис.7 Адгезія досліджуваних цементів

Бетон на основі ГІР-2 має меншу усадку (рис. 8) як для контрольних зразків, так і бетонів з комплексними добавками. Максимальна усадка для бетонів контрольного складу на основі цементу ГІР-2 складала 0,325 мм/м (з бетонної суміші з осадкою конуса 25 см). Тоді як усадка такого ж складу на портландцементі становить 0,56 мм/м.

Рис. 8 Деформації усадки бетону

Використання комплексних добавок з цементом ГІР-2 в оптимальних співвідношеннях забезпечує досягнення високого комплексу реологічних властивостей бетонних сумішей та бетонів на їх основі. Так, для бетонної суміші Р5 з ГІР-2 та комплексною добавкою об’єм утягнутого повітря складав 3%, на відміну від портландцементу де він зростає до 5%, водопотреба бетонної суміші рухливістю Р5 для ГІР-2 становила 286 л, для портландцементу - 276 л, бетонна суміш на ГІР-2 з комплексною добавкою за двогодинний проміжок часу втрачала рухливість максимум на одну марку, розшарування не перевищувало 3%. Бетон, одержаний з бетонної суміші Р5 на ГІР-2, має міцність, із золою та SVC 5-600 – 70 МПа, з мікрокремнеземом та SVC 5-600 – 92 МПа, тоді як на портландцементі аналогічні склади мають міцність 58 МПа та 82 МПа відповідно.

Одержані високі фізико-механічні характеристики бетонів на цементі ГІР-2 дозволили перейти до його дослідного впровадження під час ремонтних робіт та при визначенні економічної ефективності

Шостий розділ присвячено вирішенню питань, що пов’язані з впровадженням розроблених ремонтних складів для ремонту деформаційних швів залізобетонних конструкції мосту “Південний” через річку Дніпро в місті Києві.

При розрахунку економічної ефективності були використані дані «Комплексної схеми транспорту міста Києва на період 2020 року», розробленої інститутом Київгенпроект.

Основним критерієм у визначенні економічної доцільності проведення ремонту мосту “Південний” у м. Києві із застосуванням розробленого бетону було скорочення терміну капітального ремонту з 7 діб при застосуванні важкого бетону В30 - до 5 діб при використанні розробленого безусадного високоміцного
бетону В70.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено можливість створення ефективних високоміцних бетонів для ремонту та відновлення залізобетонних конструкцій з пластифікованих високорухомих бетонних сумішей на основі портландцементу з сульфатзалізовміщуючими добавками (ГІР-2). Так, завдяки встановленій сумісності полікарбоксилатного суперпластифікатора із залізовміщуючим активізатором тверднення запропоновані бетони з високорухомих сумішей на 28 добу мають міцність більше 110 МПа.

2. За допомогою комплексу фізико-хімічних методів досліджень встановлено, що активізатор тверднення, який містить сульфат заліза, випалену глину, піддається більш високому ступеню диспергації поверхнево-активними речовинами, в тому числі суперпластифікаторами ніж алюмінати кальцію. Це забезпечує інтенсивну гідратацію високоміцного цементу (ГІР-2) і бетонів на його основі з високими фізико-механічними характеристиками та дозволяє застосовувати такі бетонні суміші для ремонтних робіт.

3. Досліджено вплив різних видів суперпластифікаторів (нафталін формальдегідний, акриловий, полікарбоксилатний) і доведено, що застосування полікарбоксилатної добавки в бетонних сумішах з ГІР-2 дозволяє найбільш ефективно керувати структуроутворенням бетонної суміші та бетону, на противагу бетонним сумішам без активізатора, де найбільш ефективно застосування акрилатних добавок.

4. Встановлено, що дія суперпластифікаторів акрилатної та полікарбоксилатної природи залежить від їх сумісності з мінералами портландцементу. Показано, що застосування полікарбоксилатного суперпластифікатора найбільш ефективно для активізатора тверднення як за рахунок значного стеричного ефекту, (це призводить до диспергації вихідних сульфатів заліза), так і за рахунок утворення дрібнокристалічної щільної структури змішаних гідросульфоалюмоферитів кальцію, на противагу утворенню дрібнопористої структури з алюмінатних сполук.

5. Встановлено, що ефективність мінерального компонента (мікрокремнезем, зола) комплексної добавки при її застосуванні в бетонних сумішах залежить від мінералогії цементу. Так, для бетонних сумішей на ГІР-2 оптимальна кількість мікрокремнезему складає - 17%, золи – 12% від маси цементу, в той час як для аналогічних складів бетонів на портландцементі оптимальний вміст добавок складав для мікрокремнезему – 15%, для золи – 10%. Ефективність введення більшої кількості високодисперсних мінеральних добавок для цементу ГІР-2 пояснюється утворенням у ньому при твердненні залізовміщуючих гідратних сполук з високою питомою поверхнею, що потребує відповідно більшої кількості мінеральних добавок для укриття гідратних новоутворень.

6. Розроблено склади бетонних сумішей на основі цементу ГІР-2 і запропонованої комплексної добавки, введення якої дозволяє одержати з високорухливих бетонних сумішей штучний камінь з високими характеристиками міцності, більше 30 МПа на 3 добу. Найбільш ефективним є застосування комплексної добавки, яка складається з полікарбоксилатного суперпластифікатора 2,4% та мікрокремнезему 17% або полікарбоксилатного суперпластифікатора 2,4% та золи-виносу 12%.

7. Розроблено і оптимізовано склад високоміцного бетону, що включає цемент ГІР-2 та комплексну добавку (полікарбоксилатний суперпластифікатор SVC 5-600 + зола). Така бетонна суміш має певні цінні властивості: низький вміст втягнутого повітря V = 2,1%;, мінімальну розшарованість, менше 3%, життєздатність протягом 120 хвилин, а бетон на основі цієї суміші – підвищену адгезію - 2,8 МПа, модуль пружності 42,2 Ч 10-3 МПа, усадку до 0,16 мм на 126 добу.

8. Запропоновано технологію ремонту залізобетонних конструкцій з застосуванням бетону на основі ГІР-2 та суперпластифікатора SVC 5-600 яка включає такі операцій: 1) приготування ремонтної бетонної суміші, 2) очищення зруйнованих місць залізобетонних конструкцій (обдуванням стислим повітрям),
3) нанесення цементно полімерного клею для кращої адгезії, 4) встановлення опалубки та інших допоміжних елементів, 5) вкладання бетонної суміші її ущільнення, 6) догляд за бетоном відновленої конструкції.

9. Впроваджено дослідний бетон для ремонту конструкції мосту “Південний” через річку Дніпро в місті Києві є технологічним, з керованим терміном тужавлення і відсутністю видимого розшарування. Встановлено, що застосування високоміцних безусадних бетонів дозволяє підсилити залізобетонні конструкцій та підвищити термін їх експлуатації.

10. Розраховано економічну ефективність використання запропонованого ремонтного складу бетону на основі реальної можливості зменшення терміну проведення ремонтних робіт з 7 до 5 діб та вартості запропонованого ремонтного складу бетону, за допомогою якого відновлювали деформаційні шви, що сприяло прискоренню відновлення руху автотранспорту.