КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ГАХ Наталія Дмитріївна

УДК 666.972.16

ДОРОЖНІЙ ЦЕМЕНТОБЕТОН

ПІДВИЩЕНОЇ ТРІЩИНОСТІЙКОСТІ ТА ДОВГОВІЧНОСТІ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі дорожньо-будівельних матеріалів і хімії Українського транспортного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – Офіційні опоненти – – Провідна установа – кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дорошенко Юрій Михайлович, Український транспортний університет, доцент кафедри дорожньо-будівельних матеріалів і хімії доктор технічних наук, професор Чистяков Валерій Васильович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шаршунов Анатолій Борисович, інститут гідротехніки і меліорації, завідувач відділом діагностики та захисту гідротехнічних споруд Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра будівельних матеріалів, виробів, виробництва будівельних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м.Макіївка

Захист відбудеться 29.11. 2000 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 "Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби" Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м.Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

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

Автореферат розісланий 28.10.2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н Бродко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних проблем формування дорожніх мереж загального користування є високий рівень капітальності дорожнього одягу. Накопичений досвід будівництва та експлуатації автомобільних доріг свідчить про те, що більш вищі показники надійності та довговічності мають жорсткі дорожні одяги. Такі властивості притаманні конструктивним шарам з цементобетону, тому його використання, як одного з основних дорожньо-будівельних матеріалів в умовах дефіциту та високої вартості органічних вўяжучих, є раціональним, перспективним та економічно обгрунтованим.

Згідно до сучасних матеріалознавчих уявлень, перпективним напрямком технічного прогресу в технології дорожнього цементобетону є формування досконалої структури цементного каменю, що дозволяє суттєво підвищити стійкість цементобетону проти руйнування та покращити комплекс його фізико-механічних властивостей. Одним з ефективних напрямків науково-технічних розробок в галузі цілеспрямованого регулювання властивостей бетонної суміші та дорожнього цементобетону є створення та використання добавок поліфункціональних модифікаторів.

Звўязок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана відповідно до постанови Кабінету Міністрів України № 668 від 28 червня 1997 р. "Про Програму використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 року" та програми Корпорації УКРАВТОДОР "Цемент" щодо використання цементу і зниження матеріалоємності дорожнього будівництва.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення тріщиностійкості та довговічності дорожнього цементобетону за рахунок добавок поліфункціональних модифікаторів, що забезпечують інтенсифікацію процесів гідратації і твердіння та сприяють формуванню більш удосконаленої і довговічної структури цементного каменю при використанні цементів, що традиційно використовуються в дорожньому будівництві.

Для досягнення поставленої мети було поставлено такі задачі:

- отримати цементний камінь і бетон на його основі, який відрізняється від звичайного дорожнього цементобетону покриттів автомобільних доріг більшою тріщиностійкістю та довговічністю;

- розробити ефективні добавки поліфункціональних модифікаторів, що забезпечують можливість направленого регулювання процесів структуроутворення і твердіння цементу, з метою покращення міцності та деформативних характеристик цементобетону дорожніх покриттів;

- дослідити процес тріщиноутворення цементного каменю дорожнього покриття з добавками поліфункціональних модифікаторів;

- дослідити вплив добавок поліфункціональних модифікаторів на фізико-хімічні, фізико-механічні властивості та довговічність цементобетонних покриттів автомобільних доріг;

- розробити основи технології виробництва бетонних сумішей та бетонів з добавками поліфункціональних модифікаторів;

- реалізувати отримані результати в умовах діючого виробництва та визначити техніко-економічну ефективність цементобетону з добавками поліфункціональних модифікаторів.

Обўєктом дослідження є процеси структуроутворення та твердіння цементного каменю з наперед заданими фізико-механічними властивостями (міцність, тріщиностійкість, довговічність).

Предметом дослідження є цементобетон для покриття автомобільних доріг.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: рентгенофазового, диференційно-термічного та електронно-мікроскопічного. Також використано традиційні методики визначення міцностних характеристик та довговічності цементного каменю і бетону. Механізм тріщиноутворення бетону досліджено методом акустичної емісії. Розрахунки та оптимізація складу добавок поліфункціональних модифікаторів проведені за допомогою математичного метода планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

- встановлено механізм комплексного впливу добавок поліфункціональних модифікаторів на процеси структуроутворення цементного каменю, що повўязаний з підвищенням кількості гідросилікатів і гідросульфоалюмінатів кальцію, із збільшенням ступеня гідратації цементу, з перерозподілом пор в бік утворення мікропор розміром 50ё150 мкм та формуванням дрібнозернистої, однорідної і щільної структури, за рахунок підібраного складу мінеральної та органічної складових добавок модифікаторів;

- встановлено взаємозв?язок процесів структуроутворення цементного каменю з фізико-технічними властивостями дорожнього цементобетону з добавками модифікаторів, що обумовлюють зменшення водопотреби бетонної суміші, зростання показників міцності при стиску, при згині та на розтяг при згині, призмової міцності, зменшення водопоглинання і капілярного підсмоктування та підвищення морозостійкості, корозійної стійкості, зносостійкості і тріщиностійкості;

- теоретично обгрунтований і експериментально підтверджений механізм підвищення несучої здатності покриттів автомобільних доріг при введенні до складу дорожнього цементобетону добавок поліфункціональних модифікаторів за рахунок гальмування розвитку мікротріщиноутворення при навантаженні шляхом зниження концентрації напружень, збільшення тертя поверхонь руйнування (розриву) та зменшення руху дислокацій і, відповідно, кількості зламів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено ефективні добавки поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2, з використанням яких можливо одержувати дорожні цементобетони з покращеними фізико-механічними властивостями, підвищеною тріщиностійкістю та довговічністю.

Результати роботи знайшли відображення в рекомендаціях до проекту виконання робіт Державного проектного інституту “Укрдіпродор” в бетоні омонолічування підпірних стінок і лотків шляхопроводів на автомобільній дорозі Нова Романівка – Ржатківка та при виконанні ремонтних робіт в бетоні монолитної накладної плити шляхопроводів на 31 і 34 км автомобільної дороги Київ – Харків.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні результатів роботи у виробництво. Особистий внесок здобувача в наукові праці:

1. Гах Н.Д. Дорожные цементобетоны повышенной прочности и долговечности, модифицированные химическими добавками. //Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку /Зб. наук. праць. - Київ, Транспортна Академія України, Український транспортний університет, корпорація "Укравтодор". - 1998. – С. 208-211.

2. Использование метода акустической эмиссии для экспресс-контроля разрушения бетонов с добавками пластификаторов / Н.Г. Чаусов, С.А. Недосека, И.О. Богинич, А.Я. Недосека, Н.Д. Гах //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1998. - № 3. – С. 12-16.

Розроблено добавки поліфункціонального модифікатору ПФМ-1 та досліджено їх вплив на фізико-хімічні і фізико-механічні властивості цементобетону.

3. Гах Н.Д. Покращення фізико-технологічних характеристик дорожнього цементобетону, модифікованого комплексними хімічними домішками. //Автомобільні дороги і дорожнє будівництво /Зб. наук. статей. Вип. 57. – К.: Український транспортний університет. - 1999. – С. 122-125.

4. Гах Н.Д. Управління процесами тріщиноутворення цементобетону дорожніх покриттів. //Автошляховик України. – 2000. - № 2. – С. 36-37.

5. Гах Н.Д. Применение полифункционального модификатора ПФМ-1 с целью торможения процессов разрушения бетона. //Наук. праці семінару "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення", 22-24 червня 2000 р., – К.: Український транспортний університет. - 2000. – С. 26-29.

6. Дорошенко Ю.М., Гах Н.Д. Покращення технічних властивостей бетону комплексними хімічними домішками. //Будівельні конструкції. Вип. 52. –К.: -2000. – С. 274-277.

Розроблено добавки поліфункціональних модифікаторів ПФМ. Вивчено процеси структуроутворення та твердіння. Досліджено поровий простір цементного каменю методом оптичної мікроскопії та мікроструктуру за допомогою електронного мікроскопу. Проаналізовано вплив структури цементного каменю на міцність, довговічність та тріщиностійкість бетону.

7. Пат. 9647 А Україна, МПК 5 С 04 В 13/22. Бетонна суміш / Горленко А.А., Дорошенко Ю.М., Гах Н.Д. (Україна). - № 94052189; Заявл. 18.05.94; Опубл. 30.09.96; Офіційний бюл. "Промислова власність", № 3. – С. 218.

Знайдено та досліджено компоненти комплексної добавки KCl + Al(NO3)3.

8. Дорошенко Ю.М., Мартынова Л.И., Гах Н.Д. Отходы фармацев-тической промышленности как добавки в цементобетон. //Сб. тр. Том 1. Ресурсосбережение и технология производства строительных материалов. – Макеевка. - 1995. –С. 63.

Досліджено хімічний склад відходів фармацевтичного виробництва та встановлена доцільність введення оптимального складу комплексних добавок з метою підвищення міцності цементобетону.

9. Назаренко В.Б., Гах Н.Д., Дорошенко Ю.М. Эффективная добавка для ремонта железобетонных поверхностей автодорожных мостов. //Зб. доповідей "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення", 30 червня – 1 липня 1998 р. – К.: Український транспортний університет. - 1998. – С. 155-156.

Досліджена можливість використання добавки поліфункціонального модифікатору ПФМ-1 для ремонту залізобетонних споруд. Проведена низка дослідів щодо впливу добавок модифікатору на міцність при стиску і на розтяг при згині, водопоглинання, водонепроникність і морозостійкість бетону. Показано, що бетон з добавками модифікатору характеризується підвищеною корозійною стійкістю і в ньому не відбувається корозії арматури.

10. N.G. Chausov, S.A. Nedoseka and N.D. Gakh. Accelerated Strength Check by the Acoustic Emission Method for Concrete With Additives. //International Conference. "Acoustic Emission ў99". Brno, 15th – 17th June 1999. - p. 51 – 56.

Досліджено вплив добавок поліфункціонального модифікатору ПФМ-1 на параметри акустичної емісії в бетоні. Знайдено залежності впливу терміну твердіння та природи добавки на міцність та тріщиностійкість бетону.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на: Міжнародній конференції "Ресурсозбереження і екологія промислового регіону" (Донбаська державна академія будівництва та архітектури, м.Макіївка, 1995 р.); Українському міжгалузевому науково-практичному семінарі "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення" (Український транспортний університет, м.Київ, 1998 та 2000 р.р.); Міжнародній конференції "Акустична емісія – 99" (м. Брно, 1999 р.); 50 – 55-тій наукових конференціях професорсько-викладацького складу Українського транспортного університету (Київського автомобільно-дорожнього інституту) в 1994-1999 роках.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових робіт, в т.ч. 6 - у фахових виданнях, 1 патент, 3 статті у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура та обўєм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 112 сторінках основної частини, яка складається із вступу, пўяти розділів та висновків і містить 38 таблиць та 24 рисунки. Повний обсяг дисертації становить 154 сторінки і включає, поряд з основною частиною, перелік використаних джерел з 158 найменувань та 2 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, визначено її направленість та коло питань, що вирішуються, сформульовані положення, мета роботи, наукова новизна та основні задачі дослідження.

В першому розділі наведено огляд стану проблеми та визначено теоретичні передумови досліджень.

Сучасний рівень розвитку технологій дорожнього будівництва вимагає розробки дорожніх цементобетонів, які поєднують необхідну міцність, високі показники тріщиностійкості та довговічності із збереженням технологічних властивостей бетонних сумішей.

Аналіз теорій міцності бетону (А. Грифітс, Б.Г. Скрамтаєв, С.С. Гордон, О.Я. Берг, О.Є. Шейкін), теоретичні розробки в галузі механіки руйнування матеріалу (С.М. Журков, П.Г. Комохов, Ю.В. Зайцев) та дані про взаємозвўязок властивостей цементного каменю і міцності бетону (І.М. Грушко, Л.Г. Шпи-нова) показали, що даним вимогам відповідають цементобетони покращеної структури. Впливати на структуру бетону можливо різноманітними фізичними, технологічними та хімічними методами. Структуротворна роль добавок в процесах формування коагуляційно-кристалічних структур твердіння вўяжучих (П.А. Ребіндер, В.Б. Ратінов, А.Ф. Полак) показала можливість направленого впливу на фізико-технічні властивості бетону.

Для покращення технологічних властивостей бетонних сумішей, підвищення морозо- та корозійної стійкості дорожнього цементобетону нормативними документами рекомендується використання прискорювачів твердіння, пластифікуючих і повітрявтягуючих добавок.

Дослідження вчених (В.Г. Батраков) показали, що будь-які будівельно-технічні задачі вирішуються за допомогою модифікаторів поліфункціональної дії. Основні принципи розробки комплексних інтенсифікаторів гідратації і тужавлення цементу з урахуванням структурних властивостей і міцності дорожнього цементобетону повинні базуватися на одночасному покращенні технологічних властивостей бетонної суміші, прискоренні твердіння цементного каменю, підвищення кінцевої міцності, морозо- та зносостійкості, водонепроникності бетону.

Другий розділ містить розробку добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 та ПФМ-2 для дорожнього цементобетону, характеристики матеріалів і методи дослідження цементного каменю, розчину та бетону.

За результатами аналізу літературних джерел щодо дії хімічних добавок в бетоні були вибрані основні критерії впливу на формування структури цементного каменю: строки тужавлення, рухомість, прискорення твердіння, зростання міцності, усадка, морозостійкість та тріщиностійкість. В порівнянні з відомими прискорювачами твердіння бетону вперше виявлено, що комплексна неорганічна добавка "KCl + Al(NO3)3" прискорює ранню і збільшує марочну міцність бетону не викликаючи корозії арматури. Максимальний пластифікуючий ефект із зменшенням водопотреби без зниження міцності цементобетону отримано з похідними етаноламінів, порівняно з відомими пластифікаторами – ЛСТ, "Дофен", смола № 89. Знайдено та досліджено "розчин мінеральних солей", який можливо використовувати, як замінник комплексної неорганічної добавки "KCl + Al(NO3)3".

Методом рототабельного центрального композиційного планування експерименту визначено та підтверджено експериментально оптимальну кількість складових добавок поліфункціональних модифікаторів (% від маси цементу): для ПФМ-1 – 0,08 KCl; 0,08 Al(NO3)3; і 1,2 "похідні етаноламінів"; для ПФМ-2 – 1,4 "розчин мінеральних солей" і 1,2 "похідні етаноламінів".

Вплив добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на процеси гідратації та структуроутворення цементного каменю вивчали за зміною нормальної густини, строків тужавлення, ступеня гідратації та пластичної міцності цементного тіста.

Для вивчення дії добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на структуру порового простору цементного каменю використовували метод оптичної мікроскопії. Продукти гідратації та твердіння цементу досліджували рентгенофазовим, диференціально-термічним та електронно-мікроскопічним аналізами.

Виявлена дія добавок модифікаторів на фізико-механічні властивості, деформативність та довговічність дорожнього цементобетону.

Для визначення впливу добавок модифікаторів на тріщиностійкість дорожнього цементобетону застосовано метод акустичної емісії, розроблений та рекомендований інститутом проблем міцності НАН України та інститутом електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Випробування цементу та бетонів відповідають вимогам діючих нормативних документів. Основні дослідження проведені на цементобетоні класу В30 з використанням портландцементу М 500 Здолбунівського цементно-шиферного комбінату.

Третій розділ присвячено аналізу направленого впливу добавок поліфункціональних модифікаторів на процеси структуроутворення і твердіння цементного каменю з метою отримання дорожнього цементобетону з підвищеними показниками міцності, тріщиностійкості та довговічності.

Добавки модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 уповільнюють початок тужавлення цементного тіста на одну - півтори години та кінець тужавлення – на дві години, в порівнянні із зразками без добавок, та не перевищують припустимих нормативами "Відомчі будівельні норми України. Проектування і будівництво жорстких та з жорсткими прошарками дорожніх одягів" меж. Дослідження формування початкової структури цементного каменю показали, що добавки модифікаторів підвищують пластичну міцність цементного тіста в 1,7 разів і ступінь гідратації цементу на 10%, в порівнянні із зразками без добавок.

Результати фізико-хімічних аналізів показали, що добавки модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 активізують процеси гідратації цементу та сприяють збільшенню кількості дрібнозакристалізованих гідросилікатів кальцію. Дослідженнями мікроструктури цементного каменю за допомогою електронного мікроскопа виявлено більшу однорідність та ступінь закристалізованості новоутворень цементного каменю з добавками модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2, в порівнянні з цементним камнем без добавок, що обумовлює збільшення міцності цементобетону.

Дослідження структури порового простіру показали, що добавки поліфункціональних модифікаторів ПФМ забезпечують приблизно однакову зі зразками стандартного складу сумарну пористість. Диференційна порограма вказує на переважаючу кількість пор в цементному камені розмірного діапазона 50ё100 мкм з добавкою модифікаторів ПФМ-1, 50ё150 мкм з добавкою поліфункціональних модифікаторів ПФМ-2 і 200ё250 мкм в зразках без добавки (рис.1). Добавки модифікаторів сприяють перерозподілу пор в зону більш вищої дисперсності, внаслідок чого цементному каменю притаманні знижені капілярний підсос та водопоглинання.

Дослідження технологічних властивостей бетонної суміші показали, що розроблені добавки модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2, не змінюючи початкової жорсткості бетонної суміші, сприяють покращенню легкоукладальності та зменшують витрати води замішування до 3%. Для бетонної суміші без добавок повітрявбирання становить біля 3%, а в присутності добавок поліфункціональних модифікаторів – до 5%.

Показано вплив водоцементного відношення на підвищення міцності цементобетону при використанні добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 у порівнянні з бетоном без добавки. При В/Ц=0,36 в присутності добавок модифікаторів спостерігається підвищення міцності при стиску у віці 1 доби до 36%, у віці 28 діб – до 20% та міцності на розтяг при згині у віці 28 діб – до 15%. При В/Ц=0,40 міцність цементобетону з добавками модифікаторів при стиску зростає на 25?30% (1 доба) і на 19% (28 діб), міцність на розтяг при згині підвищується до 14% (28 діб). При В/Ц=0,45 міцність бетону зростає на 19?25% через 1 добу твердіння і на 10?15% через 28 діб, міцність на розтяг при згині збільшується на 8?10%, порівняно з бетоном без добавки. Використовуючи розроблені добавки модифікаторів ПФМ можливо отримати міцність бетону при В/Ц=0,40 більшу на 16%, порівняно з бетоном без добавки при В/Ц=0,36. Це дозволяє збільшити водоцементне відношення бетонної суміші при необхідності транспортування на великі відстані з збереженням заданої технологічної легкоукладальності та заданої міцності бетону при спорудженні цементовміщуючих шарів дорожнього одягу.

Показана можливість підвищення активності цементу в бетоні при використанні добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на 20-30% в ранні строки твердіння і на 10-20% у віці 28 діб. Відмічено досягнення міцності бетону з добавками модифікаторів на цементах більш низьких марок (Rст = 41,29 МПа) порівняно з бетоном без добавок на високомарочних цементах (Rст = 41,40 МПа). Добавки модифікаторів більш активно впливають на клінкерну складову цементу і менше – на шлакову її частину. При використанні модифікаторів міцність бетону (Rст = 37,80 МПа) з витратами цементу 300 кг/м3 перевищує міцність бетону без добавок (Rст = 36,70 МПа) з витратами цементу 375 кг/м3, що дозволяє економити до 15% цементу при будівництві жорстких шарів дорожнього одягу.

При різному терміні витримування бетонної суміші до укладання (через 0, 20, 40, 60 хвилин) міцність цементобетону з добавками модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 досягає максимального значення (Rст= 44,59 МПа) при витримуванні 60 хв., порівняно з бетоном без добавки (Rст= 36,70 МПа), що укладався відразу. Жорсткість бетонної суміші при введенні добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ практично не змінилася (3-10 сек), що дуже важливо при транспортуванні на далекі відстані.

Виявлена ефективність дії добавок поліфункціональних модифікаторів на зростання міцності цементобетону, що твердів в інтервалі температур від +5 oC до +35 oC в природних умовах. При температурі твердіння t=+20 oC міцність цементобетону при стиску у віці 28 діб в присутності добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 становить 43,67 і 43,31 МПа відповідно, міцність бетону без добавки Rст= 36,70 МПа. Максимальна міцність бетону з добавками модифікаторів ПФМ у ранні строки твердіння спостерігається при температурі t=+35 oC (27,86 МПа через 3 доби), а найбільше зростання міцності – при температурі t=+5 oC (123%), порівняно з бетоном без добавки. Використання розроблених добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 дозволить укладати цементобетон при низьких та високих температурах навколишнього середовища та подовжити строки будівництва.

В четвертому розділі наведено дані впливу добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на тріщиностійкість та довговічність цементобетону дорожніх покриттів із заданою структурою цементного каменю та бетону на його основі.

Під впливом зовнішніх факторів на певних етапах твердіння портландцементу відбуваються процеси зміцнення структури та деструктивні явища. В роботі використано метод акустичної емісії для виявлення вже існуючих тріщин та тріщин, які зароджуються, та вивчення фізичних процесів при деформаціях матеріалу. Обробка результатів акустико-емісійного дослідження безперервної емісії апаратурою "ЕМА" дозволила отримати взаємозвўязок між міцністю цементого розчину з різними по своїй природі хімічними добавками – неорганічною комплексною добавкою "KCl + Al(NO3)3" (склад 2) і добавкою поліфункціонального модифікатора ПФМ-1 (склад 3), порівняно із зразками без добавки (склад 1) та рівнем безперервної емісії при навантаженні та безпосередньо перед руйнуванням (рис. 2). Рівень безперервної емісії свідчить про інтенсифікацію процесу тріщиноутворення цементного розчину при стиску: із збільшенням міцності зразків складів 1 і 2 пропорційно збільшується рівень безперервної емісії. При випробуванні зразків цементного розчину складу 3 рівень безперервної емісії на всіх етапах твердіння (14, 28 і 90 діб) суттєво зменшується, що свідчить про неоднакову здатність матеріалу протидіяти появі та розповсюдженню мікротріщин.

За результатами проведених дослідів отримано кількістні та якісні залежності між міцністю цементного розчину при стиску і рівнем неперервної емісії (рис. 3). Зразки складів 1 і 2 випромінювали акустичні сигнали великих амплітуд помірної інтенсивності, що свідчить про механізм крихкого руйнування цементного розчину. Як показала низька акустико-емісійна активність, зразки складу 3 мають вищі показники міцності. Аналіз отриманих даних підтверджує наявність менших за розмірами і кількістю дефектів структури в місцях концентрації напружень в матриці цементного каменю.

Дослідження впливу добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на кінетику зростання міцності цементного каменю, розчину і бетону дозволили виявити, що розроблені добавки модифікаторів ПФМ підвищують марочну міцність цементного каменю на 12%, бетону на 19%, цементного розчину на 9% при стиску і на 18% при згині та зберігають стабільний приріст міцності у часі (3-8% за рік), порівняно із зразками без добавок, що тверділи в нормальних умовах.

Дослідження впливу добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на кінетику зростання міцності цементобетону, який твердів у різних умовах, виявили, що добавки підвищують марочну міцність на 18% та зберігають стабільний приріст міцності у часі, порівняно із зразками бетону без добавок. Подібний ефект є важливим для практичного застосування добавок модифікаторів ПФМ при будівництві та підсиленні існуючих шарів дорожнього одягу.

Дослідження характеристик міцності цементобетону на розтягування при розколюванні та призмову міцність виявили ефективність добавок модифікаторів, що свідчить про універсальність їх дії (збільшення міцності на 12% і 11% відповідно, порівняно із бетоном без добавок).

Дослідження деформативних властивостей цементобетону виявили, що інтенсивність процесів усадки бетону з добавками модифікаторів ПФМ в перший час твердіння менша на 15%, ніж у бетону без добавки, але з часом (120 діб) зростання усадочних деформацій цементобетону як з добавками модифікаторів, так і без них стабілізується. Розроблені добавки модифікаторів ПФМ не виявляють суттєвого відхилення величин початкових модулів пружності бетону від відповідного показника цементобетону без добавок (без добавок – Еb=33000 МПа, з добавками ПФМ-1 і ПФМ-2 – Eb=34500ё33500 МПа відповідно).

Як довели дослідження капілярного підсмоктування та водовбирання, розроблені добавки модифікаторів ПФМ сприяють формуванню більш стійкої та непроникної структури цементного каменю. Так, капілярне підсмоктування цементобетону у віці 28 діб зменшилося у 2,5 рази, а водовбирання – майже в 2 рази, порівняно із зразками без добавок, що дозволяє суттєво знизити водопоглинання цементобетону покриття автомобільних доріг.

Вдосконалення порової структури цементного каменю також підтверджуються дослідженнями стійкості та довговічності цементобетону. Морозостійкість і водонепроникність бетону з добавками модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 зросли з марок W 8 та F 100 до марок W 10 та F 200.

Корозійні випробування бетонних зразків у 5%-х розчинах сульфату натрію, хлористого калію і хлористого натрію показали, що стійкість бетону з добавками модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 не поступається стійкості бетону без добавок (у сульфатному середовищі Кс=0,856ё0,844; у присутності хлоридів – Кс=1,027ё1,021).

Експериментальні дані випробувань на стирання свідчать про вищу стійкість (на 23-27% менша втрата ваги) цементобетону з добавками модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2, порівняно з бетоном без добавок. При випробуванні на удар зразки цементобетону з добавками ПФМ витримали більшу кількість ударів (на 6 – 8) , ніж цементобетон без добавок.

Випробування впливу добавок модифікатору ПФМ-1 і KCl (2%) на збереження стальної арматури виявило, що використання добавок модифікатору ПФМ-1 не викликає збільшення корозії арматури. У віці 2 років у зразках цементобетону з добавками модифікатору ПФМ-1 та без добавок арматурні стержні не пошкоджені корозією, порівняно з бетоном з добавкою KCl.

У пўятому розділі наведено дані виробничої перевірки та впровадження результатів роботи з розробленими добавками модифікатора ПФМ-1.

Згідно рекомендацій проекту виконання робіт проектним інститутом “Укрдіпродор” використано добавки поліфункціонального модифікатору ПФМ-1 в бетоні омонолічування підпірних стінок та лотків на шляхопроводах ПК 2175, ПК 2205 автомобільної дороги Нова Романівка-Ржатківка (1998 р.) та в бетоні монолітної накладної плити шляхопроводів на 31 і 34 км автомобільної дороги Київ-Харків (1999 р.).

Через 1,5-2 роки експлуатації проведено обстеження експериментальних ділянок. За результатами натурного обстеження пошкоджень не виявлено – зовнішній вигляд бетонних поверхонь не змінився, сліди замокання прогонових будов відсутні.

На основі узагальнення проведених досліджень та виробничого досвіду впровадження модифікатора ПФМ-1 розроблено "Проект рекомендацій щодо використання модифікатора поліфункціональної дії при спорудженні жорстких шарів дорожнього одягу при підсиленні та реконструкції існуючих автомобільних доріг".

ВИСНОВКИ

1. Отримано дорожній цементобетон підвищеної міцності, тріщиностійкості та довговічності шляхом введення розроблених добавок модифікаторів ПФМ, поліфункціональна дія яких базується на керуванні процесами структуроутворення та твердіння цементного каменю за рахунок підібраного складу мінеральної та органічної складових добавок модифікаторів. Розроблені добавки поліфункціональних модифікаторів ПФМ, що складаються з неорганічного комплексу, представленого комплексною добавкою КCl + Al(NO3)3 (патент України № 9647 А від 18 травня 1994 р.), або розчином минеральних солей, та органічного комплексу на основі похідних етаноламінів. Визначено оптимальну кількість складових, % від маси цементу: для ПФМ-1 – 0,08% КCl, 0,08% Al(NO3)3 і 1,2% "похідні етаноламінів"; для ПФМ-2 – 1,4% "розчин мінеральних солей" і 1,2% "похідні етаноламінів".

2. Визначено, що розроблені добавки поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 сприяють формуванню тонкодисперсної та однорідної структури цементного каменю. Прискорюючий ефект дії добавок-електролітів збільшує кількість гідратних новоутворень, органічний комплекс забезпечує необхідний рівень повітровбирання (5%).

3. Розроблені добавки модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 збільшують марочну міцність цементобетону на 18-19% та зберігають стабільне збільшення на 3ё8% міцності у часі. Використання добавок модифікаторів ПФМ дозволяє зменшити витрати цементу до 15% без зниження заданої міцності цементобетону, підвищити активність низькомарочних цементів, збільшити термін витримування бетонної суміші до укладання до 60 хв. під час транспортування, розширити діапазон температури для виконання бетонних робіт (+5 … +35 0С).

4. Дані проведеного акустико-емісійного аналізу довели, що розроблені добавки поліфункціонального модифікатору ПФМ-1 суттєво підвищують характеристики міцності цементобетону і його здатність протидіяти тріщиноутворенню. Тріщиностійкість цементного розчину з добавками ПФМ-1 збільшилась на 37%, порівняно із зразками без добавок, що дозволяє покращити експлуатаційні показники покриттів автомобільних доріг.

5. Доведено, що введення до складу цеменетобетону добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 підвищує стійкість та довговічність дорожнього цементобетону за рахунок покращення структури цементного каменю та бетону на його основі: водопоглинання знижується в 2 рази, капілярне всмоктування – в 2,5 рази. Спостерігається більший на 23-27% опір стиранню, водонепроникність та морозостійкість зростають до марки W 10 та F 200, корозія цементобетону та арматури в бетоні практично відсутні.

6. Використання добавок поліфункціональних модифікаторів ПФМ не потребує зміни технологічного регламенту приготування бетонних сумішей. Розроблені добавки модифікатору ПФМ-1 впроваджені в бетон омонолічування при будівництві шляхопроводів ПК 2175, ПК 2205 автомобільної дороги Нова Романівка-Ржатківка та в бетоні монолітної накладної плити при ремонті шляхопроводів на 31 і 34 км автомобільної дороги Київ-Харків.

7. За результатами досліджень та виробничого досвіду впровадження добавки поліфункціонального модифікатора ПФМ-1 розроблено “Проект рекомендацій щодо використання модифікатора поліфункціональної дії при спорудженні жорстких шарів дорожнього одягу при підсиленні та реконструкції існуючих автомобільних доріг”.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Гах Н.Д. Дорожные цементобетоны повышенной прочности и долговечности, модифицированные химическими добавками. //Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку /Зб. наук. праць. - Київ, Транспортна Академія України, Український транспортний університет, корпорація "Укравтодор". - 1998. – С. 208-211.

2. Использование метода акустической эмиссии для экспресс-контроля разрушения бетонов с добавками пластификаторов / Н.Г. Чаусов, С.А. Недосека, И.О. Богинич, А.Я. Недосека, Н.Д. Гах //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1998. - № 3. – С. 12-16.

3. Гах Н.Д. Покращення фізико-технологічних характеристик дорожнього цементобетону, модифікованого комплексними хімічними домішками. //Автомобільні дороги і дорожнє будівництво /Зб. наук. статей. Вип. 57. – К.: Український транспортний університет. - 1999. – С. 122-125.

4. Гах Н.Д. Управління процесами тріщиноутворення цементобетону дорожніх покриттів. //Автошляховик України. – 2000. - № 2. – С. 36-37.

5. Гах Н.Д. Применение полифункционального модификатора ПФМ-1 с целью торможения процессов разрушения бетона. //Наук. праці семінару "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення", 22-24 червня 2000 р., – К.: Український транспортний університет. - 2000. – С. 26-29.

6. Дорошенко Ю.М., Гах Н.Д. Покращення технічних властивостей бетону комплексними хімічними домішками. //Будівельні конструкції. Вип. 52. –К.: -2000. – С. 274-277.

7. Пат. 9647 А Україна, МПК 5 С 04 В 13/22. Бетонна суміш / Горленко А.А., Дорошенко Ю.М., Гах Н.Д. (Україна). - № 94052189; Заявл. 18.05.94; Опубл. 30.09.96; Офіційний бюл. "Промислова власність", № 3. – С. 218.

8. Дорошенко Ю.М., Мартынова Л.И., Гах Н.Д. Отходы фармацев-тической промышленности как добавки в цементобетон. //Сб. тр. Том 1. Ресурсосбережение и технология производства строительных материалов. – Макеевка. - 1995. –С. 63.

9. Назаренко В.Б., Гах Н.Д., Дорошенко Ю.М. Эффективная добавка для ремонта железобетонных поверхностей автодорожных мостов. //Зб. доповідей "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення", 30 червня – 1 липня 1998 р. – К.: Український транспортний університет. - 1998. – С. 155-156.

10. N.G. Chausov, S.A. Nedoseka and N.D. Gakh. Accelerated Strength Check by the Acoustic Emission Method for Concrete With Additives. //International Conference. "Acoustic Emission ў99". Brno, 15th – 17th June 1999. - p. 51 – 56.

АНОТАЦІЯ

Гах Н.Д. Дорожній цементобетон підвищеної тріщиностійкості та довговічності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. Київський

національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2000.

В роботі теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість підвищення міцності, тріщиностійкості та довговічності дорожнього цементобетону за рахунок направлено впливу на структуру цементного каменю. Розроблені добавки поліфункціональних модифікаторів забезпечують інтенсифікацію процесів тужавлення і сприяють формуванню більш удосконаленої та довговічної структури цементного каменю. Досліджено вплив добавок модифікаторів ПФМ-1 і ПФМ-2 на фізико-механічні властивості цементобетону, встановлена кінетика процесу тріщиноутворення цементного каменю. Результати роботи реалізовані в умовах дорожнього будівництва.

Ключові слова: дорожній цементобетон, поліфункціональний модифікатор, тріщиностійкість, довговічність, акустична емісія.

АННОТАЦИЯ

Гах Н.Д. Дорожный цементобетон повышенной прочности и долговечности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию получения дорожных цементобетонов повышенной трещиностойкости и долговечности за счет регулирования структуры цементного камня с сохранением необходимых технологических свойств бетона.

Впервые установлена и доказана возможность применения эффективной комплексной добавки "KCl + Al(NO3)3" (патент Украины № 9647 А от 18.05.94 г.). Разработаны добавки полифункциональных модификаторов ПФМ-1 и ПФМ-2 на основе "производных этаноламинов" и определены их оптимальные количества, % от массы цемента: для ПФМ-1 – 0,08 KCl, 0,08 Al(NO3)3 и 1,2 "производные этаноламинов"; для ПФМ-2 – 1,4 "раствор минеральных солей" и 1,2 "производные этаноламинов".

Определено, что разработанные добавки модификаторов ПФМ-1 и ПФМ-2 способствуют формированию более тонкодисперсной и однородной структуры цементного камня, ускоряющий эффект действия добавок - электролитов увеличивает количество гидратных новообразований, а органический комплекс обеспечивает необходимый уровень воздухововлечения ( 5% ).

Добавки модификаторов увеличивают марочную прочность на 18-20% и сохраняют стабильный прирост прочности (3-8%) во времени, повышают активность низкомарочных цементов и экономят расход цемента до 15%, увеличивают продолжительность выдерживания бетонной смеси до укладки до 60 мин., расширяют диапазон температуры для производства бетонных работ (+5 - +35 0С).

Данные проведенного акустико-эмиссионного анализа доказали, что разработанные добавки модификатора ПФМ-1 существенно повышают прочностные свойства цементного раствора и его способность сопротивляться трещинообразованию ( на 37%) в сравнении с образцами без добавок, что позволяет улучшить эксплуатационные показатели покрытий автомобильных дорог капитального типа.

Предложенные добавки модификаторов ПФМ повышают стойкость и долговечность дорожного цементобетона за счет улучшения структуры цементного камня и бетона на его основе – капиллярный подсос и водопоглощение после 28 суток нормального твердения снижаются в 2-2,5 раза. Морозостойкость и водонепроницаемость цементобетона с добавками модификаторов увеличиваются до марок W 10 и F 200, коррозионная стойкость в агрессивных средах – на 14-27%, повышается сопротивление истираемости на 23-27% и при ударе. Добавки модификатора ПФМ-1 не вызывают коррозии стальной арматуры в бетоне.

Использование добавок полифункциональных модификаторов ПФМ не требует существенного изменения технологической схемы производства. На основании проведенных исследований и производственного опыта внедрения добавок модификатора ПФМ-1 разработан "Проект рекомендаций по использованию модификатора полифункционального действия при сооружении жестких слоев дорожной одежды при усилении и реконструкции существующих автомобильных дорог".

Ключевые слова: дорожный цементобетон, полифункциональный модификатор, трещиностойкость, долговечность, акустическая эмиссия.

ANNOTATION

Gakh N.D. Road concrete cement of super crack resistance and lasting quality. – Manuscript.

Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.05 – building materials and articles. – Kyiv National University of Construction and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2000.

In actual Scientific Paper is theoretically founded and practically confirmed the possibility of aumentation of strength, crack resistance and lasting quality of cement concrete by way of the influence directed for the structure of road stone.

The elaborated polifunctional modificators asegurate the intensification of setting's processes and contribute for formation of the most sophisticated and lasting quality structure of cement stone. It has been investigated the influence of polifunctional modificators into physical and mechanical properties of cement concrete, has been determined the kinetics of the process of cements stones's cracking. The results of the Scientific Paper have been realized in road's construction.

Keywords: road's cement concrete, polifunctional modificator, crack resistance, lasting quality, acoustic emission.