автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Фибробетон для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока

На правах рукописи

ШАКАРНА Махмуд Хусни Ибрахим

ФИБРОБЕТОН ДЛЯ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ БЛИЖНЕГО ВОСТОКА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 АВГ 2013

Белгород 2013

005532343

005532343

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты - Пухаренко Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» зав. кафедрой строительных материалов и технологий - Яковлев Евгений Александрович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», начальник управления научно-исследовательских работ Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Защита состоится «17» сентября 2013 года в 11.00 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан " 16 " августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессо »<£&.„ и»—«.22». Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Ближний Восток является одним из регионов мира с большими темпами строительства. К сожалению, в некоторых государствах Арабского мира в настоящее время разрушено значительное количество зданий и сооружений, а часть их нуждаются в ремонте и восстановлении, что связано, как с неспокойной политической обстановкой, природно-климатическими условиями, так и с геологическим строением земной коры. Фибробетон является одним из эффективных строительных материалов, применяемых для ремонта и реконструкции зданий и сооружений. Дисперсное армирование значительно повышает прочность композита на растяжение и замедляет образование трещин на всех стадиях формирования его структуры и эксплуатации.

Актульной задачей также является управление процессами структуро-образования бетона в условиях жаркого климата. Быстрое испарение влаги из бетонной смеси может привести к пластической усадке и образованию волосных трещин в бетоне, а последующее охлаждение вызывать растягивающие напряжения.

Существующие методы ухода за бетоном в условиях сухого и жаркого климата являются не эффективными с точки зрения технологических и экономических показателей. Представляется, что введение туфа определенного состава и гранулометрии в цементную систему создает изменение баланса внутренних сил за счет водоудерживающей способности частичек туфа при перемешивании и формовании с последующим выделением необходимых доз Н20 в процессе твердения бетона, что приводит к уменьшению напряжений в затвердевшем бетоне и, как следствие, к снижению количества и размера, образующихся в нём микротрещин.

Диссертационная работа выполнена в рамках: тематического плана г/б НИР №12-Б-7.4211.2012 « Разработка теоретических основ ВКБ нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов» на 2012-2014гг. и внутривузовского гранта «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012-.2014гг.

Цель работы. Повышение эффективности мелкозернистого фибробе-тона для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение сырьевых ресурсов Ближнего Востока и исследование минерального состава и физико-механических свойств туфов месторождения «Те1 Шпа» Иордании, как компонента композиционных вяжущих для мелкозернистых бетонов;

- исследование физико-механических и технологических свойств композиционных вяжущих (КВ), полученных с использованием туфа и пластификаторов;

- изучение различных видов армирующих волокон, выявление наиболее

эффективных фибр для условий Ближнего Востока и определение их оптимальны х дозировок;

- проектирование и изучение свойств высокопрочных составов фибро-бетонов для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений;

- подготовка нормативных документов и реализация теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности строительных композитов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока, заключающиеся в оптимизации структуры на нано-, микро- и макроуровне мелкозернистых бетонов за счет использования в состове композиционного вяжущего вулканического туфа, суперпластифкатора и фибры, что позволяет ускорить процессы восстановления поврежденных зданий и сооружений в Арабских странах.

Выявлен характер влияния состава, тонкости помола композиционных вяжущих с использованием вулканического туфа Иордании и суперпластификатора, на процессы структурообразования бетонной смеси в условиях сухого жаркого климата, который заключается в системе «внутреннего ухода», за счет водоудерживающей способности частичек туфа при перемешивании и формовании с последующим выделением необходимых доз Н20 в процессе твердения бетона. Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как следствие, к уменьшению количества и размеров микротрещин, что предопределяет повышение эксплуатационных характеристик реконструируемых зданий и сооружений.

Установлен характер влияния состава, структуры и условий эксплуатации мелкозернистых фибробетонов на деформативные свойства композитов, заключающиеся в использовании волновой фибры, оптимизации размеров и морфологии частиц цемента и туфов, измельченных в вибромельнице, создании высокоплотной упаковки, что приводит к оптимизации микроструктуры цементного камня и контактной зоны с фиброй и, как следствие, повышает предел прочности при сжатии и модуль упругости, соответственно на 38% и 35 %.

Практическое значение работы. Разработаны композиционные вяжущие (КВ) на основе цемента (JOCM Иордании) и туфа месторождения «Tel Rma» с тонкостью помола 500 м2/кг. Активность КВ почти в два раза больше обычного цемента, что является целесообразным с экологической и экономической точки зрения.

Выполнены расчеты по усилению несущих железобетонных конструкций начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).

Разработаны составы фибробетонов на основе композиционных вяжущих с использованием песка и отсева дробления гранита региона Ближнего Востока с пределом прочности при сжатии до 128 МПа, прочности на растяжение при изгибе 35 МПа и модулем упругости до 83х10"3 МПа.

Разработана широкая номенклатура фибробетонов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока.

Внедрение результатов исследований. Для внедрения результатов диссертационной работы разработаны технические условия «Фибробетоны мелкозернистые высокопрочные», технологической регламент для произодства фибробетона и рекомендации по применению композиционного вяжущего.

Внедрение результатов исследований осуществлялось при выполнении восстановительных работ и усилении несущих конструкций начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: областной научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 2010); 68 Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре»(Самара, 2011); Международном научно-технической конфренция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии XX научные чтения»( Белгород 2011) ; Международной практической конференции молодых ученых, БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород 2012); Международной научно-техническая онлайн конференция студентов, аспирантов и молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова ( Белгород 2013). Международная научно-практическая конференция "Строительные технологии и архитектурная эстетика информационного общества" Лондон, 2013.

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы изложены в 8 научных публикациях, в том числе 1 статья в центральном рецензируемом издании из перечня ВАК РФ.

На защиту выносятся:

- теоретические и практические аспекты повышения качества композиционных вяжущих с учетом сырьевых ресурсов Ближнего Востока;

- физико-механические и технологические свойства КВ в зависимости от состава;

- проектирование и подбор составов фибробетона с использованием, разработанных композиционных вяжущих на основе сырьевых ресурсов

Ближнего Востока;

- результаты изучения влияния различного содержания фибры на свойства бетонов и составы фибробетонов для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений;

- результаты внедрения разработанных составов высокопрочных мелко-

зернистых фибробетонов на основе композиционных вяжущих.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 182 страницах текста, включающего 27 таблиц, 57 рисунков, списка литературы из 161 наименований , 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ремонт и реконструкция зданий и сооружений для многих государств Ближнего Востока является жизненно важной проблемой. Для проведения ремонтных работ и содержания строительных объектов в соответствии с современными требованиями, необходима разработка и использование ремонтных составов нового поколения. В настоящее время при данных видах работ используются материалы, которые не могут в полной мере удовлетворять требованиям по надежности и долговечности строительных конструкций. Традиционные бетоны имеют недостаточно высокие физико- механические показатели при изгибе, растяжении и разрыве, кроме того, желательно повысить и деформативность бетона, что возможно за счет использования фибробетона. Предложенный в работе композит имеет существенно более высокие показатели: прочность при растяжении, модуль упругости, приз-менную прочность, истирамость, водопоглешение. Это обеспечивает его высокую технико-экономическую эффективность при применении в строительстве, при ремонте и реконструкции.

Интенсивное развитие строительной индустрии в Арабских странах, в особенности в странах Арабского залива, способствует росту потребности в новых экологически чистых строительных материалах с высокими физико-механическими и технико-экономическими показателями. Важное значение для Арабских стран, имеет экологическая безопасность жилых и промышленных зданий и сооружений, которая напрямую зависит от качества используемых в строительстве материалов. Неблагоприятное их воздействие на здоровье человека и окружающую среду должно быть минимальным. По данным «иЗвВЗО» ( Международная организация по Зелёным зданиям), жилые сооружения в настоящее время потребляют около 30...40 % мировой энергии, на их строительство затрачивается около 3 млрд. т природных ресурсов.

На сегодняшний день, многие цементные заводы стран Ближнего Востока в качестве сырьевой базы для изготовления вяжущих используют шлаки и золы металлургических комбинатов, которые привозят из других регионов мира, эти затраты на их транспортировку значительно отражаются на увеличении себестоимости цемента. Наиболее эффективным является использование экологически чистого местного сырья такого, как вулканический туф. Туфы положительно влияют на процесс структурообразования бетона в условиях жаркого климата и дают возможность оптимизировать традиционные методы ухода за бетоном, которые используются сегодня во многих странах мира. Предлагаемый новый подход заключается в использовании композиционных вяжущих на основе туфа, создающих наиболее благоприят-

ные условия на ранних стадиях структурообразования и твердения системы. Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как следствие, к уменьшению количества и размеров микротрещин, что определяет технико-экономическую эффективность применения КВ на основе туфа для получения бетонной смеси, применяемой в условиях сухого жаркого климата. Известно, что вулканический туф является гетеропористой горной породой. Поровое пространство данной породы, является весьма сложным по своей форме и состоит из сочетания пор различных размеров (Рисунок. 1).

На микрофотографиях отчетливо видно, что в породе преобладают сверхкапилляры - поры, имеющие диаметр с!Эф > 10 ' м и капилляры - это поры с <1Эф = 10"7 ... 10"4 м. Можно также отчетливо увидеть и субкапиллярные поры (с!Эф = 2*10"9...1*10"7 м). Именно наличие такого количества пор различных форм и размеров обеспечивает хорошую водоудерживающую способность туфов.

X20000 X20000

а б

Рисунок. 1. Микрофотографии поверхности: а - вулканического туфа;

б - туфового порошка Вода в породе находится в сложном взаимодействии с ее минеральным каркасом, границы и соотношения между ними условны и постоянно изменяются: пар; химически связанная вода; физически связанная вода (пленочная и капиллярно-удержанная); свободная или гравитационная вода.

Физически связанная вода (пленочная и капиллярно-удержанная) остается в поровом пространстве туфа благодаря взаимодействию молекул воды с поверхностью минерального скелета породы, а также в результате влияния капиллярных сил. Пленочная вода практически целиком заполняет объем капилляров с радиусом г < 20...30 нм, причем капилляры с радиусом г <1,5...2,0 нм заполнены в основном прочно связанной водой. Капиллярно-удержанная вода характерна для пор, радиус которых составляет 30...500 нм, а также для углов пор, приуроченных к стыкам между зернами, образующими скелет породы, и тупиковых пор. Капиллярно-удержанная вода по своим

свойствам не отличается от свободной. Представляется, что в условиях жаркого климата, когда наблюдается дефицит жидкой фазы в самом бетоне, частички туфа, входящие в состав вяжущего, в процессе твердения будут отдавать запасенную ими капиллярно-удержанную воду, а это приведет к активизации процессов структурообразования и синтезу более плотной однородной структуры материалов в процессе твердения и эксплуатации бетонов.

С целью получения композиционных вяжущих был проведен комплекс исследований: на первой стадии были разработаны вяжущие с оптимальным соотношением цемента и минерального компонента (туфов месторождения королевства Иордании); далее было подобрана оптимальная дозировка суперпластификатора. Также были проведены исследования влияния тонкости помола туфа и способа помола сырьевых компонентов на физико-механические и технологические свойства композиционных вяжущих.

В качестве основного материала для получения КВ был выбран портландцемент Туре I 42,5 Н завода ЮСМ Иордании, соответствующий требованиям ГОСТ 31108-2003 и туф месторождения Иордании ( плотность - 1660 кг/м , водопоглощение - 9,53%), в качестве пластифицирующей добавки применяли суперпластификатор АБТМ С494 - Туре А.

Изучено влияние тонкости помола и различного содержания минеральной добавки - вулканического туфа на физико-механические и технологические свойства вяжущих. С целью изучения влияния различных дозировок туфа в вяжущие вводили от 5 до 50% туфа с разной удельной поверхностью 5=350м2/кг и Б=700м2/кг (Таблица. 1).

Полученные результаты свидетельствуют (Таблица .1), что наилучшими физико-механическими характеристиками обладают вяжущие с удельной поверхностью цемента 350 м2/кг и туфа 700 м /кг при соотношении цемента и туфа, соответственно, 90% : 10% (составы За и 36). Активность этих вяжущих превосходит показатели предела прочности при сжатии бездобавочного цемента на 10,2 %, что свидетельствует о технико-экономической целесообразности использования минеральной добавки -вулканического туфа, обеспечивая при этом, и экологический эффект. Следует отметить, что нормальная густота этих составов незначительно возрастает за счёт высокой дисперсности туфового порошка

Таблица 1

Свойства вяжущих в зависмости от состава и удельной поверхност

№№ п/п Составы вяжущих В/В Активность вяжущего при сжатии, в возрасте, сут. (МПа) Активность вяжущего при изгибе, в возрасте, 28сут. (МПа) Нормальная густота, НГ% Сроки схватывания, час-мин

Цемент туф

Доля в составе, % Удельная поверхность м2/кг Доля в составе, % Удельная поверхность м2/кг

начало конец

3 7 28

1а 100 320 - - 0.26 23,00 35,00 51,00 7,30 25.6 1-30 2-16

2а 95 320 5 350 0.26 24,20 37,00 52,40 7,48 26.0 1-35 2-18

За 90 320 10 350 0.27 28,50 39.10 55,30 7,90 27.0 1-45 2-30

4а 80 320 20 350 0.28 19,10 35.20 45.20 6,50 28.0 1-58 2-35

5а 70 320 30 350 0.29 17,20 33.53 39.10 5,60 29.5 1-00 2-40

6а 50 320 50 350 0.31 16,10 28.30 35.46 5,10 ЗОЛ 2-10 3-00

16 100 320 - - 0,26 23,00 35.00 51,0 7,30 25.6 1-30 2-22

26 95 320 5 700 0,27 27,30 39.50 54.50 7,81 27,0 1-42 2-30

36 90 320 10 700 0,28 29,50 42.10 56.20 8,00 28,0 1-51 2-40

46 80 320 20 700 0,29 25,10 40.30 48.40 6,95 29.5 2-08 3-03

56 70 320 30 700 0,31 20,30 38.53 42.00 6,30 31.0 2-18 3-20

66 50 320 50 700 0,33 19,70 30.10 37.46 5,35 32.5 2-30 3-35

Установлен характер влияния различного содержания минеральной добавки и различной удельной поверхности туфа на физико-механические и технологические свойства вяжущих и определен оптимальный состав для дальнейших исследований с соотношением компонентов, %: цемент-туф=90:10. Исследовано влияние тонкости помола туфа на физико-механические и технологические свойства вяжущих с различной тонкостью помола цемента и с одинаковым соотношением сырьевых компонентов (Таблица.2). Полученные результаты свидетельствуют, что с увеличением тонкости помола туфа при одинаковой удельной поверхности рядовогоце-мента(320м2/кг) прочность вяжущего увеличивается, соответственно от 2 до 14,3%.

Таблица 2

Результаты физико-механических испытаний образцов, приготовленных

раздельным помолом

№ п/п Состав, % в/в Тонкость помола туфа, м2/кг Активность вяжущего при сжатии в возрасте, сут. (МПа) Активность вяжущего при изгибе, в возрасте, 28сут.( МПа)

це-мен т туф 3 14 28

Тонкость помола цемента 320 м2/кг

1а 100 - 0,26 - 23,28 35,00 51,00 7,31

2а 90 10 0,27 300 24,40 42,30 52,09 7,45

За 90 10 0,28 500 28,17 36,30 55,40 7,80

4а 90 10 0,29 900 30,30 40,20 57,96 8,28

5а 90 10 0,30 1300 31,40 42,23 58,30 8,34

Тонкость помола цемента 500 м2/кг

16 100 - 0,28 - 28,20 45,30 70,29 10,30

26 90 10 0,29 300 33,60 48,80 71,25 10,42

36 90 10 0,30 500 40,70 50,80 80,24 11,46

46 90 10 0,31 900 42, 20 53,40 81,10 11,10

56 90 10 0,32 1300 47,20 55,40 82,20 11,53

Тонкость помола цемента 700 м2/кг

1в 100 - 0,29 30,30 51,10 73,10 10,45

2в 90 10 0,30 300 35,10 53,70 74,45 10,64

Зв 90 10 0,31 500 40,60 57,20 83,40 11,91

4в 90 10 0,32 900 43,20 60,20 85,10 12,30

5в 90 10 0,33 1300 45.00 62,40 86,20 12,70

При использовании цемента с удельной поверхностью 500 м2/кг и с увеличением удельной поверхности туфа с 300, 500, 900, 1300 м2/кг отмечается увеличение прочности вяжущего с 2,7 до 16,9%. Вяжущие, приготовленные с ис-

пользованием цемента с удельной поверхностью 700 м2/кг и с туфом с удельной поверхностью 300, 500, 900, 1300 м2/кг характеризуются повышением прочности с 3,2 до 17,9 %.

Полученные результаты свидетельствуют, что при высокой удельной поверхности цемента (700 м2/кг ) и удельной поверхности туфа от 500 до 1300 м2/кг прочность изменяется в незначительных пределах в сравнении с композиционными вяжущими, на основе цемента с удельной поверхностью 500 м2/кг. Особый интерес в связи с технической реализацией составов представляет состав вяжущего, полученного при использовании цемента с удельной поверхностью 500 м2/кг и туфом с соизмеримой удельной поверхностью 500 м2/кг (Рисунок.2). Этот состав является наиболее оптимальным по технико-экономическим показателем: минимальное время помола при ограниченных энергозатратах и получение вяжущих с максимальными физико-механическими показателями.

■ КВ с в Ц=320 кг/М2

■ КВ с в Ц=500 кг/м2 КВ с в Ц=320 кг/м2

к без с туфа . ^

н туфа 5=300 стуФ. с^ф, -г

А кг/м2 5=900 5=13Ф00

КГ/М2 кг/м2 кг/м2

Рисунок. 2. Динамика нарастания прочности вяжущих с различными удельными поверхностями туфа и цемента Таким образом, на основании выполненных исследований, анализа полученных результатов и с учетом технико-экономической целесообразности в дальнейших исследованиях принимаем состав композиционного вяжущего на основе цемента (500 м2/кг) с использованием в качестве минерального компонента —туфа (500 м2/кг) в количестве 10% объема сырьевой

смеси, имеющий в возрасте 28 сут активность 80,24 МПа.

Установлено, что совместный способ помола при приготовлении композиционного вяжущего более эффективен по сравнению с раздельным помолом и повышает ее активность на 10,5% (показатели активности вяжущего при сжатии (Таблица. 3).

Использование пластифицирующей добавки при приготовлении вяжущих при совместном помоле повышает активность композиционного вяжущего на 8,3% , а по сравнению с раздельным помолом на 15,6%, что позволяет не только экономить клинкер, но и приводит к повышению предела прочности при сжатии. Состав 3 (Таблица. 3) является оптимальным с содер-

жанием: цемента 90%, туфа 10%, пластифицирующей добавки 1%, полученный при совместном помоле в вибрационной мельнице и принят для дальнейших исследований по разработке фибробетонов для реконструкции и строительства зданий для районов Ближнего Востока.

Таблица 3

Влияние способа помола и пластификатора на активность вяжущих

№ № п'п Состав, % Тонкость помола кг/кг В/В Вид помола Активность вяжущего при сжатии в возрасте, сут. Активность вяжущего при изгибе,в возрасте, 28сут( МПа)

Ц ту Ф ДО-бав ка

3 14 28

1 90 10 - 500 0,30 разд 45,20 60,40 80,30 11,48

2 00 10 500 0,28 совм 48,70 66,80 88,70 13,3

3 90 10 1% 500 0,22 совм 53,20 74,30 95,20 14,7

Анализ рентгенограмм гидратированного портландцемента и гидрати-рованного композиционного вяжущего в возрасте 28 сут. показал, что цемент представлен частично закристаллизованным тоберморитовым гидросиликатом кальция С-Б-Н (I) - ( =12,5; 3,07; 1,83), гидросиликатами и гид-роалюминами кальция различной основности и портлантидом Са(ОН)2 - ( <1, А =4.93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,79; 1,69). у композиционного вяжущего наблюдается снижение дифракционных максимумов портлантида и наличие минералов, входящих в состав вулканического туфа. Сравнение рентгенограмм вяжущих, приготовленных из портландцемента и минеральной добавки в одинаковых дозировках, но по различным схемам: совместным помолом компонентов в вибромельнице и раздельным помолом, а затем механическим смешением компонентов, показало, что совместный помол обеспечивает наилучшие условия для гидратации. Так, при совместном помоле компонентов композиционного вяжущего к 28 суточному возрасту величина интенсивности дифракционных максимумов портлантида ( <1,А =2,63 и 1,93), становится меньше в 2...2,5 раза, что свидетельствует о создании в системе более благоприятных условий для взаимодействия и связывания гидроксида кальция за счет высокой гидратационной активности тонких фракций цемента и механохимически активированного поверхностного слоя минеральной добавки - туфа, что подтверждается результатами физико-механических испытаний. Структура гидратированного композиционного вяжущего, полученного при раздельном помоле и последующем смешении компонентов характеризуется неоднородным составом. Просматривается наличие пустот, внутри которых отмечается прорастание игольчатых кристаллов длиной до 5 мкм, пронизывающих весь объем материала (Рису-нок.З,д, 3,е). Наличие большого количества пустот объясняется худшей ме-ханоактивацией и диффузией микрочастиц туфа и вяжущего. Это приводит к снижению предела прочности при сжатии на 8,4МПа по сравнению с вяжущими, полученными при совместном помол(Рисунок.З,а,Зб). Композиционное вяжущее, полученное при совместном помоле с пластифицирующей до-

бавкой обладает наиболее однородным плотным строением. В общей массе продуктов гидратации можно отметить наличие плотных образований вблизи зерен наполнителя в контактных зонах, которые обеспечивают минимальное содержанием пор и микротрещин (Рисунок.3в,3г).

Рисунок. 3. Микрофотографии гидратированного вяжущего в возрасте 28 сут.: а) 90% цемента и 10% туфа( совместный помол); б) -90% цемента, 10% туфа и 1% химическая добавка (совместный помол); в) 90% цемент и 10% туфа (раздельный помол) Это объясняется спецификой структуры тонкомолотого туфа, позволяющей активно формироваться новообразованиям за счет использования, запасенной в порах породы воды, а также способствующей формированию микроструктуры контактных зон и всего камня в целом.

Таким образом, результаты исследований показали, что вулканические туфы Ближнего Востока являются эффективным минеральным компонентом для получения композиционных вяжущих. Установлено, что на основе вулканических туфов возможно получать композиционные вяжущие в различных помольных агрегатах с достаточно высокими физико-механическими характеристикам, что позволяет их эффективно использовать для производства фибробетонов, эксплуатируемых в условиях жаркого климата. Проектирование составов фибробетонов производили с целью получения композитов с требуемыми качественными показателями, установленными в проект-нон документации на изделия или конструкции, при минимальном расходе цемента и обладающих соответствующими технологическими показателями подвижности и удобоукладываемости, позволяющих обеспечить получение в конструкции фибробетона с заданными проектными физико-механическими характеристиками

. При подборе состава фибробетона в работе использовали разработанное композиционное вяжущее, полученное при совместном помоле цемента и туфа до удельной поверхности 500 м2/кг, в качестве заполнителя был применен отсев дробления гранита месторождения «Safawi» (Иордания). Для оптимизации структуры матрицы и получения высокоплотной упаковки зерен заполнителя, в состав бетона был введен песок месторождения «Guwara» (Иордания). На основании выполненных подборов составов мелкозернистых бетонов был принят оптимальный состав с содержанием компонентов: отсев дробления гранита - 1125кг/м3; песка - 335кг/ м3; вяжущего - 700кг/ м3, воды - 175л, при обеспечении В/В= 0,3 ,В работе применяли следующие разновидности стальных фибр: волнообразную - ФП 15/0,6; анкерную -50/0,8 мм и фрезерованную из листа 50/0,8, соответствующих европейским стандартом EN 14889-1.

Изучено влияние указанных разновидностей фибр в мелкозернистых бетонах (Таблица. 4) при их различных дозировках в диапазоне от 1 до 4%, при использовании в качестве вяжущих рядового цемента и разработанного композиционного вяжущего. Содержание вяжущих, крупного и мелкого заполнителя, а также и водоцементное отношение во всех составах принято постоянным. Результаты физико-механических испытаний бетонных образцов свидетельствуют, что волновая фибра, введенная в количестве 3%, в мелкозернистые бетонные смеси, приготовленные на основе портландцемента и композиционного вяжущего, обеспечивает повышение предела прочности при

сжатии, соответственно, и на 31% и на 37,7% призменную прочность на 29,6% и на 35,18%., на растяжение при изгибе 23,12% и на 59,7%.

Невзирая на то, что фрезерная и анкерная фибры дают несколько более высокие показатели по прочности на изгиб и моделя упругости, дальнейшие исследования выполнялось с использованием волновой фибры с учетом более технологичного производства и бетонной смеси.

Таблица 4

Физико-механические показатели фибробетонов, приготовленных на цементе (Ц) и композиционном вяжущем (КВ)

№ состава Проент армирования^ Плотность Бетона кг/м3 прочность при сжат ,( МПа)28 сут Пртменя Прочность МПа) 28сут Прочно-стьна растяжения МПа).28 № состава Про-цент армирования^ Плотность Бетона кг/м3 Предел прочно-стьпри сжати К,(М Па) Призменя Прочность Я,(МПа). 28сут Прочно-стьна рас-тяжени К,( МПа). 28 сут

Волновая фибра

1.Ц 0 2335 58 41 14,70 1.КВ 0 2380 90 65,32 21,60

2.Ц 1 2375 68 47 16,20 2.КВ 1 2420 108 78,45 27,80

З.Ц 2 2420 72 51 17,30 З.КВ 2 2460 114 83,20 29,40

4.Ц 3 2500 76 53 18,1 4. КВ 3 2520 124 88,30 34,50

5.Ц 4 2240 61 45 15,3 5. КВ 4 2340 100 75,10 25,10

фрезерованная фибра

6.Ц 0 2335 58 41 14,70 6.КВ 0 2380 90 65,32 21,60

7.Ц 1 2370 65 44,3 16,40 7.КВ 1 2418 103,20 77,00 25,44

8.Ц 2 2415 70,20 47,10 17,30 8. КВ 2 2455 109,80 81,40 26,40

9.Ц 3 2500 79,40 55,10 19,1 9. КВ 3 2516 127,3 90,30 35,40

10. Ц 4 2340 60,20 43 15,30 10. КВ 4 2345 93,20 73,10 22,20

анкерная фибра

п.ц 0 2335 58 41 14,70 11.КВ 0 2380 90 65,32 21,60

12. Ц 1 2368 65 44 17,20 12.КВ 1 2415 102,20 76,27 26,30

13. Ц 2 2410 70 45 18,30 13. КВ 2 2450 106,20 80,12 27,70

14. Ц 3 2480 77,40 54,20 22,70 14. КВ 3 2510 125,4 88,70 37,31

15. Ц 4 2380 61 43 15,3 15. КВ 4 2343 90,10 70,20 24,20

Для бетона, работающего в несущих конструкциях зданий и сооружений, требуется чтобы достаточная механическая прочность сочеталась с деформационной устойчивостью, т.е. с его способностью противостоять возникновению и развитию необратимых деформаций, или появлению и росту микротрещин. Особенно это относится к регионам Ближнего Востока, так как данный регион имеет свою специфику при эксплуатации строительных конструкций, заключающуюся в повышенной температуре окружающей среды и периодически возникающих сейсмических нагрузок, которые типичны для данной зоны.

Фибробетон, армированный дисперсными волокнами, обладает повышенной трещиностойкостью, прочностью при растяжении, ударной вязкостью, сопротивлением истираемости и высокими деформативными свойствами. Именно дисперсное армирования в объеме материала, достаточно близкое расположение фибр способствуют торможению развития локальных трещин в бетоне с одновременным повышением его предельной растяжимости и прочности.

Важным показателем деформативности сталефибробетонов является модуль деформации - величина непостоянная и существенно зависящая от стадийности работы. При напряжениях, не превышающих предел трещиностойкости, когда начальная структура сталефибробетона еще не нарушена, зависимость между напряжениями и деформациями - линейная и характеризуется начальным модулем упругости. С увеличением нагрузки кривая зависимости напряжения - деформации искривляется, модуль деформаций сталефибробетона становится переменным(Таблица. 5).

Таблица 5

Деформативные характеристики образцов бетонов с оптимальным

содержанием различных видов волокон

№п/п Вид вяжущих Вид фибр Содержание фибр,% Призменная прочность, МПа Модуль упругости, Еб.10"3,МПа

1 ц - - 41 36,8

2 ц Волновая 3% 50 44,3

3 ц Фрезерованная 3% 54 46,5

4 ц Анкерная 3% 51 45,3

5 КВ - - 65 61,4

6 КВ Волновая 3% 88 77,3

7 КВ Фрезерованная 3% 90 79,6

8 КВ Анкерная 3% 88 78,0

Таким образом, проведенные теоретические и модельные физико-механические исследования, позволили разработать фибробетоны с композиционными вяжущими и различным дисперсным армированием. Дальнейшие исследования деформативных свойств проводили для фибробетонов оптимального состава.

1) кубиковая прочность 2) призменная прочность

3) модуль упругости 4) прочность при растяжениит на изгиЬ

Рисунок. 4. Динамика нарастания кубиковой, призменной прочностей, модуля упругости и прочности при растяжении на изгибе оптимальных составов фиро-бетонов

1)' -.-I цемент без фибры, ■■ ЬСВ без фибры; 2) ' ' цемент с 3% волновой фибры, I -I КВ с 3% волновой фибры; 3) НИВУЧ цемент с 3% фрезерованной фибры, КВ с 3% фрезерованной фибры; 4) ЬИШцемент с 3% анкерной фибры, ^ИКВ с 3% анкерной фибры

Динамика нарастания кубиковой и призменной прочностей, модуля упругости и прочности на растяжение при изгибе фибробетонов, приготовленных на рядовом цементе и на композиционном вяжущем, армированных оптимальными дозировками волновой, фрезерованной и анкерной фибр, приведена на Рисунок. 4. Результаты свидетельствуют, что фрезерованная и анкерная фибры обеспечивают наибольшие физико-механические показатели. Однако, учитывая то, что волновая фибра обеспечивает наибольшую

подвижность бетонной смеси, вследствие незначительной длины фибр, что является важным технологическим фактором, особенно для ремонта и реконструкции бетонных элементов различных зданий и сооружений в условиях Арабских стран, мы рекомендуем применять волновую фибру.

Разработаны составы фибробетона для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений на композиционных вяжущих с использованием 3% волновой фибры. Известно, что введение стальной фибры в бетон позволяет получить материал - сталефибробетон с высокими физико-механическими и деформативными характеристиками. Для реконструции и ремонта зданий и сооружений применяется широкий спектр классов бетонов. В зависимости от назначения и использования бетонов в различных элементах конструкций и специфических условий его эксплуатации, был разработан номенклатурный ряд составов фибробетонов для разных видов ремонтных работ.

Дальнейшая оптимизация фибробетонов осуществлялась путем применения зерен с высокоплотной упаковкой. Расчет состава производился по методу профессора А.Н. Хархардина. Полученные составы имеют марку по удобокладываемости П3, что полностью соответствует требованиям по удо-боукладываемости к бетонным смесям (Таблица. 6), предназначенным для ремонта и реконструкции зданий и сооружений в зависимости от физико-механических характеристик бетона.

Высокие прочностные и деформативные характеристики разработанных составов фибробетонов предопределяются нано-, микро и макроструктурой композитов (Рисунок. 5) и могут рекомендоваться для использования в соответствии с Рисунок. 6.

Исследование микроструктуры образцов фибробетонов, приготовленных на композиционном вяжущем, показало, что в процессе совместной гидратации цемента и тонкодисперсного туфа наблюдается равномерное распределение продуктов гидратации в объеме композита. Отмечается, что поры и пустоты в образце фибробетона практически отсутствуют, высокая плотность конгломерата обеспечивается за счет использования композиционного вяжущего. Изучая контакную зону цементного камня и армирующего элемента следует отметить плотное обрастание продуктами гидратации армирующих элементов, что свидетельствует о прочном сцеплении волновой фибры и композиционного вяжущего

Таблица 6

Физико-механические характеристики мелкозеристого фибробетона на основе КВ

Составы Расход КВ, кг/и' Расход гранита кг/м3 Расход песка кг/м^ Во- да,(л) Добав ка*, кг Предел прочности при сжатии ГЦМПа) в возрасте 28суг Призменная прочность Я, (МПа) в во-расте 28сут Прочность на растяжение при изгибе,(МПа) в возрасте 28сут Модуль упругости Е6.103,(МПа)в возрасте .28сут

1 185 1470 556 180 1.48 33 25 13 19,2

2 250 1470 495 180 2.00 46 35 14 29,2

3 290 1470 422 180 2.32 54 42 16 40,3

4 340 1470 410 180 2.64 65 51 19 46,2

5 395 1430 350 180 2.96 74 58 22 52,1

6 455 1430 335 180 3.40 84 63 23 53,3

7 510 1380 330 180 3.84 92 73 25 67,1

8 565 1320 330 180 4.24 105 80 28 74,1

9 620 1270 330 180 4.64 115 85 30 79,2

10 680 1215 325 180 5.08 128 92 35 83,3

ю

* гиперпластификатора МС320.

Рисунок. 5. Микроструктура фибробетона на основе:

- композиционного вяжущего ( а,б), цемента ЦЕМ I 42,5 Н (в,г)

. При рассмотрении образцов фибробетона, приготовленных на композиционном вяжущем, после испытаний на разрыв, установлено, что армирующие элементы достаточно прочно остаются в теле образца, что свидетельствует о высокой адгезии композиционного вяжущего и фибры. На армирующих элементах, выходящих из тела образца отчетливо просматриваются участки и следы | ранее находящегося на них цементного камня, что еще раз свидетельствует о высоком сцеплении фибры и композиционного вяжущего.

Фибробетон, приготовленный на цементе, в отличие от фибробетона, приготовленного на композиционном вяжущем, имеет менее прочное сцепление фибры и цемента в контактной зоне, структура самой зоны контакта более рыхлая и пористая. Образцы фибробетона, приготовленные на цементе, имеют менее густое зарастание пор и пустот и менее плотное обрастание продуктами гидратации армирующих элементов.

После испытаний образцов фибробетонов на разрыв фибра, находящаяся в фибробетоне, приготовленном на цементе, заметно отличается от фибры в образцах на основе композиционного вяжущего, так в образцах, приготовленных на цементе, после испытаний заметны явно выраженные волновые участки, свиде-

тельствующие о нарушении сцепления фибры с цементным камнем, что не наблюдается в фибробетоне на композиционном вяжущем.

Таким образом, предложены принципы повышения эффективности строительных композитов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока, заключающиеся в оптимизации структуры на нано-, микро- и макроуровне мелкозернистых бетонов за счет использования в составе композиционного вяжущего вулканического туфа, суперпластификатора и фибры, что позволяет ускорить процессы восстановления поврежденных зданий и сооружений в Арабских странах.

Рисунок. 6. Пути использования разработанных составов фибробетонов на основе КВ

С учетом вышеизложенного предложена схема рационального использования фибробетонов широкой номенклатуры в зависимости от области применения: для ремонта гидротехнических сооружений ферм, стропильных арок, балок, ригелей и колонн и т.д. (Рисунок.6).

Для внедрения результатов диссертационной работы разработан пакет нормативных документов: технические условия «Фибробетоны мелкозернистые высокопрочные», технологической регламент для произодства фибробетона и рекомендации по применению композиционного вяжущего.

Апробация и внедрение результатов исследований осуществлялось при выполнении восстановительных работ и усилении несущих конструкций начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).

Экономическая эффективность производства и применения полученных высококачественных мелкозернистых фибробетонов на основе композиционных вяжущих, заключается в снижении себестоимости бетона по сравнению с традиционно применяемым бетоном. Применение высококачественного мелкозернистого фибробетона будет способствовать не только удешевлению строительства, но и улучшению экологической обстановки региона за счет использования местного сырья и экологически чистого туфа.

"ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлен характер влияния процессов структурообразования в бетоной смеси в условиях жаркого климата, заключающийся « в системе внутреннего ухода», за счет водосодержащей способности частичек туфа, при перемешивании и формовании, с последующим выделением необходимых доз воды при твердении бетона. Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как следствие, к уменьшению количества и размеров микротрещин, что предопределяет повышение эксплуатационных характеристик реконструируемых зданий и сооружений.

2. Определено оптимальное содержание туфа в цементных вяжущих и влияние тонкости помола туфа на физико-механические и технологические свойства композиционных вяжущих. Исследовано влияние способа помола сырьевых компонентов и установлено, что наиболее оптимальной дозировкой является 10% -ная добавка туфа при совместном помоле до удельной поверхности 8=500м 2/кг с учетом технико-экономической целесообразности.

3. Разработаны композиционные вяжущие на основе цемента и туфа, приготовленные совместным помолом в вибрационной мельнице с удельной поверхностью 500 м2/кг при содержании пластифицирующей добавки в количестве 1%. Это композиционное вяжущее целесообразно использовать для получения высокопрочных мелкозернистых фибробетонов.

4. Исследование микроструктуры образцов фибробетонов, приготовленных на композиционном вяжущем, показало, что в процессе совместной гидратации цемента и тонкодисперсного туфа наблюдается равномерное распределение продуктов гидратации в объеме композита. Поры и пустоты в образце фибробетона практически отсутствуют, высокая плотность конгломерата обеспечивается за счет использования эффективного композиционного вяжущего.

5. Установлено, что контакная зона «цементный камень - фибра» характеризуется плотным обрастанием продуктами гидратации армирующих элементов, что свидетельствует о прочном сцеплении волновой фибры и композиционного вяжущего. Выявлено, что армирующие элементы достаточно прочно остаются в теле образца после испытаний на разрыв, что свидетельствует о высокой адгезии композиционного вяжущего и фибры.

6. Разработаны составы высокопрочных мелкозернистых фибробетонов с использованием композиционного вяжущего на основе местного сырья, с введением 3% стальной волновой фибры, обладающих высокими деформативными

характеристиками, что является эффективным материалом для ремонта и реконструкции зданий и сооружений в регионах с высокой сейсмической активностью - на Ближнем Востоке .

7. Выполнены расчеты но подбору составов мелкозернистых фибробето-нов широкой номенклатуры и предложена схема рационального использования фибробетонов в зависимости от области применения: для ремонта гидротехнических сооружений ферм, стропильных арок, балок, ригелей и колонн и т.д

8. Для внедрения результатов диссертационной работы разработан пакет нормативных документов: технические условия «Фибробетоны мелкозернистые высокопрочные», технологической регламент для произодства фибробетона и рекомендации по применению композиционного вяжущего.

9. Экономическая эффективность применения полученных высококачественных мелкозернистых фибробетонов заключается в снижении себестоимости бетонных смесей по сравнению с традиционно применяемыми составами. Применение высококачественного мелкозернистого фибробетона будет способствовать не только удешевлению строительства, но и улучшению экологической обстановки региона за счет использования местного сырья и экологического чистого туфа.

Основные публикации по теме диссертации:

1.Ракитченко, К.С. Разработка высокоэффективных фиброармированных составов на основе композиционного вяжущего для ремонта и реконструкции зданий и сооружений / К.С. Ракитченко, С.А. Казлитин, М.Х.И. Шикарна // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 68-я Всероссийская науч.-техн. конф., Самара 11-15 апреля 2011 года, - Самара 2011,- С. 495-497

2. Шакарна М. X. // Сырьевые ресурсы, используемые для производства бетона в Палестине Международная научно-техническая конфренция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова-2011Белгород: Изд-во БГТУ .С34-26.

3. Сопин Д.М.;. Влияние магнитной обработки // Сопин Д.М ; Шакарна. М.Х.И. ,Сегедина А.С на физико-механические свойства фибробетона // Международная науч-но- техническая конф-ренция моло-дых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород 2011: Изд-во БГТУ,. (5 с).

4. Шакарна М. X. Процесс структурообразования монолитного фибробетона для условий Палестины / М. X. Шакарна, А. С. Бадо // Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения):. междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011 г. - Белгород : Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2011. - Ч. 4. - С. 297-301

5. Лесовик В.С Бетон армированный стальной фиброй , / Лесовик В.С ,Чхин С., Шакарна. М.Х.И. // Международная практическая конференция молодых ученых. БГТУ им. В.Г. Шухова 2012 Изд-во БГТУ С. 214-219.

6. Шакарна М.Х Композицонные вяжущие с использованаем вулканических туфов Иордании Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г.Шухова Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013. №3-С.38-43 ISSN 20717318.

7. Лесовик В.С, «Фибробетон на композиционном вяжущем для ремонта и реконструкции зданий и сооружений в условиях Ближнего Востока » / Лесовик В.С„ Шакарна М. // Международная научно-техническая онлайн конференция студентов, аспирантов и молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород 2013. Изд-во БГТУ С. 34-36.

8. Загороднюк Л.Х, «Классификация добавок для армирования мелкодисперсных компонентов» /Загороднюк Л.Х, Шакарна М, Шекина А.Ю // Международная научно-практическая конференция "Строительные технологии и архитектурная эстетика информационного общества" Лондон, 25 апреля - 30 апреля 2013- С.46-49.

ШАКАРНА Махмуд Хуснн Ибряхим

ФИБРОБЕТОН ДЛЯ РЕМОНТА II РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ БЛИЖНЕГО ВОСТОКА

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы н изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 05.07.2013. Формат 60x84 /16. Усл. Печ. л 1,4.

Уч.-изд. л.1,5. Тираж 100 экз. Заказ №200

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Белгородский государственный технологический университет

имени В.Г. Шухова

04201361275 На правах рукописи

ШАКАРНА Махмуд Хусни Ибрахим

ФИБРОБЕТОН ДЛЯ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ БЛИЖНЕГО ВОСТОКА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор B.C. Лесовик

Белгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..............................................................

1.1. Состояние зданий и сооружений на Ближнем Востоке.............10

1.2. Условия эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций в регионе Ближнего Востока.............................16

1.3. Строительные материалы, используемые для ремонта

и реконструкции железобетонных зданий и сооружений на Ближнем Востоке.....................................................20

1.4. Сырьевая база материалов, используемых при реконструкции зданий и сооружений на Ближнем Востоке..................................28

1.5. Пути повышения эффективности

используемых материалов.............................................34

1.6. Выводы............................................................................................40

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Методы исследований......................................................................

2.1.1. Рентгенофазовый анализ........................................................42

2.1.2. Растровый электронно-микроскопический анализ...............44

2.1.3 Определение гранулометрического состава веществ..............45

2.1.4 Изучение свойств заполнителя................................................47

2.1.5.Изучение реологических характеристик цементных суспензий................................................................49

2.1.6. Адсорбция СП на ВНВ...........................................................51

2.1.7. Изучение характеристик бетонных смесей............................52

2.1.8. Определение призменной прочности, модуля упругости

и коэффициента Пуассона..............................................................53

2.2. Применяемые материалы...................................................................58

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ С

УЧЕТОМ СЫРЬЕВЫХ ЕСУРСОВБЛИЖНЕГОВОСТОКА............61

3.1. Зеленые экологически чистые композиты - стратегия строительства Арабских государств.............................................66

3.2. Методы ухода за бетоном в условиях сухого

жаркого климата...............................................................................71

3.3. Свойства композиционных вяжущих в зависимости от состава ..76

3.3.1. Влияние тонкости помола и содержания туфа наь физико-механические и технологические свойства вяжущих...........................77

3.3.2. Свойства композиционных вяжущих в зависимости от состава...............................................................................................83

3.3.3. Влияния способа помола сырьевых компонентов на физико-механические и технологические свойства вяжущих...............87

3.4. Состав и морфология новообразований композиционных вяжущ...........................................................................89

3.5. Особенности структурообразования композиционного вяжущего с использованием туфа.......................................94

3.6. Выводы...........................................................................................104

4. СВОЙСТВА ФИБРОБЕТОНА В ЗАВИМОСТИ ОТ

СОСТАВА........................................................................................105

4.1.Проектирование состава фибробетона с

применением композиционных вяжущих.............................112

4.2. Свойства фибробетона в зависмости от количества и вида фибры .

4.2.1. Влияние волновой фибры на свойства бетона.....................114

4.2.2. Свойства бетона в зависимости от содержания фрезерованной фибры...........................................................118

4.2.3. Исследования анкерной фибры в бетонах..............................123

4.2.4. Проектирование составов фибробетонов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений на Ближнем

Востоке различного назначения..........................................131

4.3. Повышение качества фибробетона..............................................133

4.4. Деформативные характеристики фибробетона...........................142

4.5. Долговечность сталефибробетона.....................................................140

4.6 . Выводы...............................................................................................142

5. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

5.1. Разработка нормативных документов............................................144

5.2. Внедрение результатов....................................................................145

5.3. Технико-экономическое обоснование.............................................155

5.4. Выводы........................................................................................... 162

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................... 163

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Ближний Восток является одним из регионов мира с большими темпами развития строительства. К сожалению, в некоторых государствах арабского мира в настоящее время разрушено значительное количество зданий и сооружений, а часть их нуждаются в ремонте и восстановлении, что связано, как с неспокойной политической обстановкой, природно-климатическими условиями, так и с геологическим строением земной коры. Фибробетон является одним из эффективных строительных материалов, применяемых для ремонта и реконструкции зданий и сооружений. Дисперсное армирование значительно повышает прочность композита на растяжение и замедляет образование трещин на всех стадиях формирования его структуры.

Актульной задачей также является управление процессами структурообразования бетона в условиях жаркого климата. Быстрое испарение влаги из бетонной смеси может привести к пластической усадке и образованию волосных трещин в бетоне, а последующее охлаждение вызывать растягивающие напряжения.

Существующие методы ухода за бетоном в условиях сухого и жаркого климата являются не эффективными с точки зрения технологических и экономических показателей. Представляется, что введение туфа определенного состава и гранулометрии в цементную систему создает изменение баланса внутренних сил за счет водоудерживающей способности частичек туфа при перемешивании и формовании с последующим выделением необходимых доз Н20 в процессе твердения бетона, что приводит к уменьшению напряжений в затвердевшем бетоне и, как следствие, к снижению количества и размера, образующихся в нём микротрещин.

Диссертационная работа выполнена в рамках: тематического плана г/б НИР №12-Б-7.4211.2012 « Разработка теоретических основ ВКБ нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных

модификаторов» на 2012-2014гг. и внутривузовского гранта «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012.2014гг.

Цель работы. Повышение эффективности мелкозернистого фибробетона для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение сырьевых ресурсов Ближнего Востока и исследование минерального состава и физико-механических свойств туфов месторождения «Tel Rma» Иордании, как компонента композиционных вяжущих для мелкозернистых бетонов;

- исследование физико-механических и технологических свойств композиционных вяжущих (КВ), полученных с использованием туфа и пластификаторов;

- изучение различных видов армирующих волокон, выявление наиболее эффективных фибр для условий Ближнего Востока и определение их оптимальных дозировок;

- проектирование и изучение свойств высокопрочных составов фибробетонов для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений;

- подготовка нормативных документов и реализация теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности строительных композитов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока, заключающиеся в оптимизации структуры на нано-, микро- и макроуровне мелкозернистых бетонов за счет использования в состове композиционного вяжущего вулканического туфа, суперпластифкатора и фибры, что позволяет ускорить процессы восстановления поврежденных зданий и сооружений в Арабских странах.

Выявлен характер влияния состава, тонкости помола композиционных вяжущих с использованием вулканического туфа Иордании и суперпластификатора, на процессы структурообразования бетонной смеси в условиях сухого жаркого климата, который заключается в системе «внутреннего ухода», за счет водоудерживающей способности частичек туфа при перемешивании и формовании с последующим выделением необходимых доз Н20 в процессе твердения бетона. Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как следствие, к уменьшению количества и размеров микротрещин, что предопределяет повышение эксплуатационных характеристик реконструируемых зданий и сооружений.

Установлен характер влияния состава, структуры и условий эксплуатации мелкозернистых фибробетонов на деформативные свойства композитов, заключающиеся в использовании волновой фибры, оптимизации размеров и морфологии частиц цемента и туфов, измельченных в вибромельнице, созданы высокоплотные упаковки, что приводит к оптимизации микроструктуры цементного камня и контактной зоны с фиброй и, как следствие, повышает предел прочности при сжатии и модуль упругости, соответственно на 38% и 35 %.

Практическое значение работы. Разработаны композиционные вяжущие (КВ) на основе цемента (JOCM Иордании) и туфа месторождения «Tel Rma» с тонкостью помола 500 м /кг. Активность КВ почти в два раза больше обычного цемента, что является целесообразным с экологической и экономической точки зрения.

Выполнены расчеты по усилению несущих железобетонных конструкций начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).

Разработаны составы фибробетонов на основе композиционных вяжущих при использования песка и отсева дробления гранита региона Ближнего Востока с пределом прочности при сжатии до 128 МПа, прочности на растяжение при изгибе 35 МПа и модуля упругости до

83x10"3 МПа.

Разработана широкая номенклатура фибробетонов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока.

Внедрение результатов исследований. Для внедрения результатов диссертационной работы разработаны технические условия «Фибробетоны мелкозернистые высокопрочные», технологической регламент для произодства фибробетона и рекомендации по применению композиционного вяжущего.

Внедрение результатов исследований осуществлялось при выполнении восстановительных работ и усилении несущих конструкций начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: областной научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 2010); 68 Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре»(Самара, 2011); Международной научно-технической конфренция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии XX научные чтения» (Белгород 2011) ; Международной практической конференции молодых ученых, БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород 2012); Международной практической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные оложения диссертационной работы изложены в 8 научных публикациях, в том числе 1 статья в центральном рецензируемом издании из перечня ВАК РФ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Состояние зданий и сооружений на Ближнем Востоке

Ближний Восток является одним из регионов мира с большими темпами развития строительства. В нём встречаются три материка - Европа, Азия и Африка. Он имеет многовековую историю строительства, которую можно разделить на два периода: старый и современный. При этом каждый из периодов включает несколько этапов развития.

Египет - страна лишённая строительного леса. Как и в других оазисах африканской пустыни, основная его растительность - пальмы, дающие дерево плохого качества, и тростник. Именно это и определило основные строительные материалы того времени - необожженный кирпич-сырец и камень, главным образом, известняк, добываемый в Нильской долине, а также песчаник и гранит. Камень использовался в основном для гробниц и захоронений, а кирпич шел на постройку дворцов, крепостей, зданий в окрестностях храмов и городов, а также вспомогательных сооружений для храмов. Древнеегипетские дома строили из ила, добываемого в Ниле. Новые города создавались на месте прежних, поэтому древние поселения не сохранялись [1-3].

Однако, несмотря на засушливый климат Древнего Египта, некоторым сооружениям из кирпича-сырца удалось сохраниться: деревня Дейр эль-Медина, город Кахун (современный Эль-Лахун), крепостные сооружения в Бухене и Миргиссе. Многие храмы и сооружения сохранились до наших дней, потому что они находились на недостижимой для нильских разливов высоте и были построены из камня [1-9].

Древнеегипетскими строениями на сегодняшний день являются в основном сохранившиеся религиозные памятники и сооружения. Судя по некоторым уцелевшим колоннам храма в Карнаке, египтяне перед укладкой

камня обрабатывали начисто лишь постели и вертикальные швы. Лицевая же поверхность камней обтесывалась по окончании постройки здания. В фиванскую эпоху металлические скрепления совершенно не употреблялись, и лишь изредка использовались деревянные скобы в форме ласточкина хвоста для связи камней между собой (Мединет-Абу, Абидос) или же для скрепления давших трещину монолитов (Луксорский обелиск) [4-9].

Внешние и внутренние стены, а также колонны и пирсы, были покрыты резными фигурками, раскрашенными разными цветами, иероглифическими и иллюстрированными фресками [2,10-13].

У ислама не было своих традиций возведения различного рода зданий и сооружений, поэтому строительство в покоренных странах сознательно ориентировалось на местные традиции. Религиозная идеология ислама поставила перед ним новые задачи. Появились мечети, а также медресе и мавзолеи. Основополагающее значение для формирования архитектуры арабов имело очень развитое по формам и конструкциям зодчество Ирана эпохи династии Сасанидов (226 - 651 гг.). У них арабы переняли схему культовых построек мечетей и мавзолеев - центричного сооружения, завершенного куполом повышенных эллиптических очертаний. Купол своим основанием опирался на четыре стоны основного квадратного объема и на небольшие арочки - тромпы, перекинутые в угловых частях. Формы арок были различны. Обычный и самый простой из применяющихся типов - арка подковообразная, а так же стрельчатая однолопастная арка и иногда трехлопастная [3,31-41]. В Индии была распространена более пологая арка -стрельчатая килевидная. Для мавританской Испании характерна подковообразная арка. В архитектуре получили развитие также купольные постройки, ранний образец которых представляет восьмигранная мечеть Куббат ас-Сахра в Иерусалиме (Рисунок. 1.1)(687-691гг.) [50].

Основными строительными материалами арабов были: обожженный кирпич, отчасти камень - известняк, песчаник; литьевая керамика - фаянс и майолика; дерево, гипс, тростник. Мрамор применялся, для небольших

колонн, поддерживавших своды. Арки повышенных очертаний выкладывались обычно из кирпича.

Пространственной организацией мечеть значительно отличается от христианского храма. Наружный облик дополняется минаретами, с которых верующие призываются к молитве. Это стройные призматические (например, в Испании и Марокко) или цилиндрические (в Персии и Турции) башни с галереями, берущие начало от исходных форм и функций звонницы. Но наряду с культовыми сооружениями возводились и другие здания - дворцы, торговые дома, инженерные сооружения, жилые дома [38-42].

Замки строились из камня, чаще всего по следующей системе: квадрат мощных стен с башнями, в середине - двор, обстроенный помещениями. Одним из самых значительных был замок Хирбат аль-Мафджар (8 век), включавший помимо жилья мечеть, монументальную баню и другие постройки. Помещения окружали двор в два этажа и были перекрыты кирпичными сводами. Выделялась баня - квадратный многоколонный зал площадью около 30x30 м. В центре возвышался купол на парусах. Отделка отличалась богатством, она соединила в себе античные и восточные традиции [43-46,48].

В арабских странах широкий размах приобрело строительство инженерных сооружений, особенно гидротехнических. Засушливый климат побуждал к созданию развитой системы ирригации, к устройству водоемов, крытых рез�