автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Конструкционные облегченные бетоны на комбинированных заполнителях

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи АСТРАХАНКИНА ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

УДК 691.327

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОБЛЕГЧЕННЫЕ БЕТОНЫ НА КОМБИНИРОВАННЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

академик РААСН, П.Г. Комохов, доктор технических наук, профессор, академик РАЕ, B.C. Грызлов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................... 4

ГЛАВА 1. Современные представления о формировании структуры и свойств конструкционных бетонов. Цель и задачи исследования .................................. 8

1.1 Особенности структуры и свойств конструкционных бетонов на пористых заполнителях................................ 9

1.2 Повышение эксплуатационных свойств бетона методами модификации и комбинирования состава............. 24

1.3 Цель и задачи исследования............................................ 32

ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование рациональной структуры конструкционного облегченного бетона ...... 35

2.1 Соотношение свойств компонентов как обобщенный критерий структуры бетона ........................................... 35

2.2 Модель комбинированной макроструктуры конструкционного облегченного бетона...................................... 39

2.3 Формирование свойств цементной матрицы и бетона на смешанных компонентах в аспекте теории демпфирования и структурной механики бетона ................ 45

2.4 Выводы .......................................................................... 53

ГЛАВА 3. Экспериментальное проектирование составов

конструкционных облегченных бетонов на комбинированных заполнителях ..................................... 56

3.1 Подбор и оценка свойств смесей комбинированных заполнителей ................................................................ 56

3.2 Бетоны на основе шлаковой пемзы, природного щебня и гранулированного доменного шлака ................... 62

3.3 Бетоны на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака ............ 68

3.4 Бетоны на основе шлаковой пемзы, шлакового щебня

и гранулированного доменного шлака ........................ 73

3.5 Бетоны на основе аглопорита, природного щебня и пористых песков ............................................................ 77

3.6 Бетоны на комбинированных заполнителях и смешанных вяжущих ........................................................... 80

3.7 Выводы .......................................................................... 88

ГЛАВА 4. Физико-механические, теплотехнические и дефор-

мативиые свойства облегченных конструкционных бетонов на комбинированных заполнителях .. 90

4.1 Исследование физико-механических и теплотехнических свойств .................................................................. 90

4.2 Деформативные характеристики бетонов на комбинированных заполнителях под действием кратковременной нагрузки.............................................................. 107

4.3 Исследование усадки и ползучести бетонов на комбинированных заполнителях............................................ 117

4.4 Выводы .......................................................................... 123

ГЛАВА 5. Рекомендации по применению конструкционных

облегченных бетонов на комбинированных заполнителях ......................................................................... 125

Общие выводы ...................................................................................... 136

Литература ............................................................................................ 138

Приложения .......................................................................................... 151

Введение

Бетоны на пористых заполнителях имеют по сравнению с тяжелыми бетонами ряд положительных особенностей, таких как пониженная плотность и теплопроводность, повышенное сцепление цементно-песчаного раствора с заполнителем, существенно повышенные уровни границ микротре-щинообразования и высокая трещиностойкость. Важным аспектом является также возможность применения пористых заполнителей, изготовленных на основе попутных продуктов промышленности (шлаковой пемзы, шлакового щебня, гранулированного доменного шлака), что позволяет получать бетоны эффективные как в техническом, так и экономическом отношении с одновременным решением экологических проблем, а также имеющихся в ряде регионов проблем, связанных с дефицитом природных заполнителей.

К числу недостатков легкого бетона относят большой расход цемента для приготовления конструкционных бетонов, особенно при использовании низкопрочных заполнителей, худшие показатели ряда физико - механических свойств по сравнению с тяжелым бетоном, в частности, низкий модуль упругости, повышенные величины усадки и ползучести. Одной из проблем в технологии легкого бетона является недостаток пористых песков; применение плотного кварцевого песка приводит к повышению плотности легкого бетона. В результате в нормативных документах предусмотрена плотность

о

легкого бетона до 2000кг/м . Еще более актуальной проблемой в технологии конструкционного легкого бетона является недостаток или отсутствие пористых заполнителей необходимого качества, прежде всего высокой прочности. Применение в конструкционных бетонах пористых заполнителей низкой прочности приводит к ухудшению их прочностных и деформативных характеристик, особенно важных для несущих конструкций, к повышению расхода цемента, увеличению плотности. Кроме того, производство пористых заполнителей требует больших энергозатрат.

Таким образом, развитие производства конструкционных легких бетонов часто наталкивается на отсутствие пористых заполнителей высокого

качества и прочности, большие экономические затраты. В результате объем производства изделий из конструкционных бетонов на пористых заполнителях составляет 10-15% от общего объема конструкций из легкого бетона. Для снижения расхода цемента, улучшения прочностных и деформативных свойств, особенно при отсутствии пористых заполнителей высокого качества и достаточной прочности, можно предложить использование бетонов на смеси пористых и плотных заполнителей.

Целью настоящей работы является разработка и исследование конструкционных облегченных бетонов на комбинированных заполнителях (смесь пористых и плотных заполнителей) с улучшенными прочностными, дефор-мативными и теплофизическими свойствами .

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1) Теоретическое обоснование рациональной структуры конструкционного облегченного бетона на основе комбинирования при формировании макро- и микроструктуры. Построение модели структуры и вывод обобщенного критерия.

2) Реализация исходной модели при проектировании составов конструкционных облегченных бетонов.

3) Исследование прочностных, деформативных и теплозащитных свойств данных бетонов.

4) Определение рациональной области применения конструкционных облегченных бетонов на комбинированных заполнителях и оценка их экономической эффективности.

Научная новизна

Предложено направление совершенствования структуры и свойств бетонов, позволяющее одновременно улучшить их физико-механические и теплотехнические характеристики при применении смесей пористых и плотных заполнителей. Сформулирована концепция возможности получения более универсальных видов конструкционных бетонов.

Предложена модель комбинированной структуры бетона с применением смесей пористых и плотных заполнителей на макроуровне и использованием тонкомолотых шлаковых наполнителей на микроуровне.

Показано, что облегченные конструкционные бетоны на комбинированных заполнителях характеризуются комплексом улучшенных свойств: повышенной прочностью и пониженным расходом цемента, повышенными величинами модуля упругости , пониженными значениями коэффициента теплопроводности, аналогичными границами микротрещинообразования и аналогичными значениями плотности по сравнению с обычными бетонами на пористых заполнителях.

Определены количественные характеристики усадки и ползучести конструкционных облегченных бетонов.

Практическое значение работы

Показана возможность получения конструкционных бетонов при применении пористых заполнителей низкой прочности.

Полученные бетоны обладают широкой областью применения и признаком универсальности с учетом улучшенных свойств по сравнению с бетонами - аналогами: по сравнению с легкими бетонами - повышенными значениями модуля упругости, пониженной усадкой и ползучестью; по сравнению с тяжелыми бетонами - пониженной плотностью, повышенными границами микротрещинообразования, повышенными теплозащитными свойствами.

Результаты диссертационной работы реализованы в ходе научных исследований по целевым программам "Череповец - 94,95" и используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей технологов по специальности 29.06.00.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на Российской межотраслевой научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии и охрана окружающей среды" (Санкт-

Петербург, 1993г), на Международных конференциях "Современные проблемы строительного материаловедения" (Самара, 1995г, Казань, 1996г, Пенза, 1998г), на 50-й и 51-й Международных конференциях молодых ученых и студентов (Санкт-Петербург, 1996-1997гг).

На защиту выносятся:

■ Теоретически обоснованная и экспериментально доказанная возможность получения облегченных конструкционных бетонов с применением крупных пористых заполнителей низкой прочности в смеси с прочными плотными заполнителями и пористых песков.

■ Результаты экспериментальных исследований прочностных, деформа-тивных и теплофизических свойств бетонов на смешанных заполнителях.

■ Результаты исследования влияния шлаковых наполнителей на свойства бетонов на смешанных заполнителях.

■ Экономическая эффективность предложенных решений.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

По определению М.З. Симонова, бетон, независимо от того именуется он легким или тяжелым, представляет собой искусственный камень (конгломерат), образованный из специально подобранной смеси сыпучих каменных материалов (заполнителей), сцементированных в одно целое минеральным вяжущим веществом [1]. Крупные и мелкие "заполнители занимают до 80% объема и оказывают определенное влияние на свойства бетона, его долговечность и стоимость" [2].

Рассматривая взаимодействие микро- и макродисперсной составляющих материалов с конгломератным строением, П.И. Боженов отметил, что "большое влияние на формирование эксплуатационных характеристик оказывает когезия каждой составляющей и адгезия цементирующей пленки с поверхностью крупных зерен" [3].

В настоящее время многие исследователи относят бетоны к композиционным материалам. Бетон как композиционный материал представляет собой многофункциональную систему взаимосвязанных элементов структуры материалов, характеристики которой отсутствуют в отдельно взятых его исходных составляющих. Наиболее общие правила конструирования бетона как композиционного материала - это обоснованный выбор вяжущего с учетом предъявляемых требований к изделию, конструкции и сооружению, а также рациональный подбор отдельных составных компонентов - наполнителя и заполнителя [4].

Вопросы совершенствования структуры и свойств тяжелых и легких бетонов, а также особенности и преимущества бетонов на смешанных заполнителях и композиционных вяжущих нашли отражение в работах И.Н. Ах-вердова, Т.Б. Арбузовой, Ю.М. Баженова, П.И. Боженова, В.В. Бабкова, Г.А. Бужевича, Ю.М. Бутта, Б.Н. Виноградова, ВН. Вырового, Г.И. Горчакова,

B.C. Грызлова, Ю.В. Зайцева, И.А. Иванова, С.М. Ицковича, Б.С. Комисса-ренко, П.Г. Комохова, JI.A. Малининой, Ю.Г. Мещерякова, Ю.Д. Нациевско-го, Л.П. Орентлихер, И.А. Рыбьева, М.З. Симонова, Л.Б. Сватовской, В.И. Соломатова, Н.Я. Спивака, М.М. Сычева, А.Е. Шейкина, У.А.Ямлеева и др.

1.1. Особенности структуры и свойств конструкционных бетонов на пористых заполнителях

Основное отличие легкого бетона от тяжелого, заключающееся в пористости использованного в нем заполнителя, обуславливает возникновение в нем более сложных процессов, влияющих на структурообразование и формирование его свойств, чем в тяжелом, хотя многие вопросы технологии для обоих видов и остаются общими.

Прочность бетона, как композиционного материала, может достигать прочности матрицы ( цементного раствора ) в том случае, если прочность и жёсткость заполнителя не ниже прочности матрицы. В лёгких бетонах пористые заполнители, как правило уступают прочности и жёсткости матрицы. Поэтому приоритетность в обеспечении свойств бетона принадлежит прочности и деформативности пористого заполнителя. Для каждого вида пористого заполнителя существует свой предел прочности бетона.

Существенное влияние на прочность лёгкого бетона оказывает содержание в нём крупного пористого заполнителя или концентрация заполнителя. Влияние концентрации заполнителя зависит от соотношения его прочности и прочности раствора. Обычно при достаточно высокой прочности раствора в конструкционных лёгких бетонах увеличение концентрации заполнителя приводит к уменьшению прочности бетона [2].

Пористые заполнители обладают значительным водопоглощением и при введении их в смесь отсасывают из цементного раствора часть воды. Чтобы компенсировать влияние водопоглощения пористого заполнителя и

сохранить подвижность бетонной смеси, приходится увеличивать расход воды.

Пористые заполнители вследствие своей способности к влагообмену с цементным тестом в большей мере, чем обычные плотные заполнители, влияют на процессы его структурообразования. На первом этапе пористые заполнители, отсасывая влагу, способствуют получению более плотного и прочного контактного слоя цементного камня. На втором этапе, при уменьшении количества воды в цементном камне вследствие гидратации цемента, пористые заполнители возвращают ранее поглощённую воду, создавая благоприятные условия для протекания гидратации цемента и уменьшая усадочные явления в цементном камне. Высокая шероховатость поверхности лёгких заполнителей обеспечивает хорошее сцепление между цементным камнем и заполнителем, а значительная деформативность заполнителя способствует уменьшению отрицательного влияния на структуру бетона усадки цементного камня, предотвращает появление усадочных микротрещин. В результате в лёгких бетонах на пористых заполнителях цементный камень может обладать достаточной плотностью и однородностью, что существенно уменьшает его проницаемость, повышая тем самым долговечность бетонных и железобетонных конструкций и их стойкость в некоторых агрессивных средах [2].

Пористые пески с повышенным содержанием пылевидных фракций обладают заметной гидравлической активностью, особенно при высокотемпературной ( 90-100 °С ) тепловой обработке бетона длительностью 10-12 ч. Этот фактор может частично или полностью компенсировать малую прочность и повышенную водопотребность пористых песков и обеспечить получение требуемой прочности лёгкого бетона при том же расходе цемента, что и при использовании плотных песков [5].

Введение пористого заполнителя изменяет и деформативные свойства бетона. Пористая структура заполнителя обуславливает меньший модуль его упругости и большую деформативность, чем у плотного заполнителя. Широко распространено мнение, что к числу недостатков легкого бетона следует

отнести пониженный, по сравнению с тяжелым бетоном, модуль упругости. Действительно, снижение модуля упругости означает, что названные бетоны могут иметь равные прочности, но их деформативность (при одинаковых напряжениях сжатия) будет существенно различаться. Вследствие более низкого модуля упругости легкие бетоны проявляют повышенную деформативность.

Особое значение раскрытие возможностей повышения модуля упругости имеет для бетона конструкционного назначения. Продолжительное время проявлялось определенное недоверие к возможности применения легких бетонов для крупногабаритных конструкций, что нашло отражение в действующих в то время нормативных документах. В настоящее время произошло весьма интенсивное развитие технологии (особенно производства пористых заполнителей), в результате чего удалось достичь существенного повышения модуля упругости легких бетонов. Однако повышение модуля упругости легких бетонов до сих пор остается актуальной задачей [6].

Модуль упругости легкого бетона повышается с увеличением его прочности и средней плотности и зависит от прочности и модуля упругости крупного пористого заполнителя, его объемной концентрации и модуля упругости растворной составляющей, вида песка, условий твердения и возраста бетона. Например, модуль упругости конструкционного шлакопемзобетона на 10-30% выше, чем модуль упругости соответствующего керамзитобетона и аглопоритобетона [5,7,8,9] . Это можно объяснить более высоки