автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Оптимизация свойств цементных композитов с полимерной фиброй для ремонтных работ

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

‘1.

* *

ПОПОВ ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 666.982:65.012:517.8

ОПТИМВАЦІЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЦЕМЕНТНИХ КОМПОЗИТІВ З ПОЛІМЕРНОЮ ФІБРОЮ ДЛЯ РЕМОНТНИХ РОБИ

Спеціальність 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській державній академії

будівництва і архітектури (ОДАБА), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: - засл. діяч науки і техніки України доктор технічних наук, професор ВОЗНЕСЕНСЬКИИ Віталій Анатолійович,

Одеська державна академія будівництва і архітектури, завідуючий кафедрою “Процеси та апарати в технології будівельних матеріалів”

Офіційні опоненти: - д.т.н., проф. ДОРОФЄЄВ Віталій Степанович,

Одеська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри “Залізобетонних та кам'яних конструкцій”;

- к.т.н., доц. МАРГАЛЬ Ігор Володимирович, державний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри технології будівельного виробництва

Провідна установа: - Донбаська державна академія будівництва і

архітектури, кафедра технологій будівельних матеріалів, виробів і автомобільних доріг, Міністерство освіти і науки України, м. Макіївка.

Захист відбудеться “26” грудня 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої зченої ради Д 41.085.01 Одеської державної академії будівництва і архітектури т адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

і дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської державної академії будівництва і архітектури за адресою : 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

. •*}

Автореферат розісланий “/// ” ?;г~ ¡гУ Г/-СірС1. 2000 р.

Зчений секретар спеціалізованої вченої ради ..__ Макарова С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЮБОТИ

Актуальність дисертаційної роботи. Проблема раціонального вибору матеріалів при ремонті і реконструкції будівельного об'єкту, що відповідають його призначенню, специфіці, і реальним умовам експлуатації, в останні десятиріччя набула особливу гостроту. Рішення проблеми дуже актуально в тих випадках, коли об'єкт відноситься до категорії спеціальних споруд, у яких крім загальнобудівельних, повинний бути виконаний комплекс специфічних вимог. В цих умовах конкурентоздатним, як показують результати п'яти симпозіумів Міжнародної організації дослідників матеріалів і конструкцій RILEM (останній відбувся влітку 2000 року в Ліоні), є фіброармований бетон (fibre-reinforced concrete - FRC). Створення деякими закордонними хімічними фірмами спеціальних супертонхих фібр з високомодульних полімерів дозволяє успішно вирішувати ряд конструктивних, технологічних і експлуатаційних проблем, характерних для FRC зі сталевою, скляною чи натуральною органічною фіброю, що ускладнює одержання тонких шарів дисперсно-армованого композита при ремонтних роботах. Для раціонального використання FRC з полімерною фіброю при ремонті спеціальних споруд в Україні необхідна адаптація світового технологічного досвіду, що накопичується, і оцінка можливості керування властивостями дисперсно-армованих цементних композитів на основі вітчизняних цементів і заповнювачів, а також доступних для практики модифікаторів матриці.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконана в рамках держбюджетної теми № 76 за планом НДР ОДАБА (per. номер 0198U004270) і досліджень за програмою “Ресурсозбереження” разом з Центрального виробничою лабораторією Міністерства оборони України.

Мета і задачі дослідження. Ціль роботи - оптимізація властивостей цементно-піщаних композицій, модифікованих полімерною фіброю і полівіні-лацетатними добавками, з урахуванням критеріїв, що визначають їх застосування для спеціальних ремонтних робіт.

Для досягнення мети було необхідно вирішити наступні задачі:

- проаналізувати можливості керування технологічними, механічними й експлуатаційними властивостями цементно-піщаних композитів (дрібнозернистих бетонів) за рахунок введення полімерних фібр і полімердобавок;

- розробити блок-схему досліджень, що забезпечує одержання достовірних оцінок основних властивостей технологічних сумішей і затверділих композицій, як основи побудови експериментально-статистичних моделей (EC-моделей) для прийняття технологічних рішень;

- проаналізувати по кінетиці зміни пластичної міцності вплив інгредієнтів суміші на cTDVKTVDovTBODemM нементно-пішаних композицій, шо міс-

тять полімери вінілового ефіру і армованих полімерною фіброю;

- оцінити по ЕС-моделях вплив факторів складу на показники якості (ударостійкість, стираність, адгезію до бетонної основи, в'язкість руйнування та ін.), що визначають застосування модифікованих цементно-піщаних композитів для спеціальних ремонтних робіт;

- вибрати на основі аналізу експериментально-статистичних моделей і комплексу оптимізаційних діаграм склади модифікованих композитів, що відповідають вимогам до матеріалів для спеціальних ремонтних робіт і здійснити їхню дослідно-промислову перевірку.

Об'єкт досліджень - цементно-піщані дисперсно-армовані композити для спеціальних ремонтних робіт.

Предмет досліджень - закономірності зміни технологічних і експлуатаційних властивостей цементно-піщаних композитів під впливом полімерної фібри і добавки полівінілацетату (у вигляді емульсії і редиспергованого порошку).

Методи досліджень. Оптимальне планування багатофакторних експериментів для одержання нелінійних ЕС-моделей, які описують зв'язок між факторами складу композита і його властивостями. Оцінка реологічних параметрів технологічних сумішей на основі пластограм і кривих в'язко-пластичної течії. Експериментальне визначення показників загальнобудіве-льних і спеціальних (ударостійкість, адгезійна міцність, тріщиностійкість і ін.) властивостей композитів. Обчислювальні експерименти з комплексом експериментально-статистичних моделей цих показників і багатокритеріа-льний аналіз оптимізаційних діаграм.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено закономірності впливу полівінілацетатних добавок і тонких гнучких полімерних волокон на ефективну в'язкість технологічної суміші і кінетику зміни її пластичної міцності в перші години твердіння;

- отримані математичні описи кінетичних кривих, що дозволили проаналізувати швидкість структуроутворення з урахуванням несучої здатності фібрового і піщаного каркасів, що не є результатом фізико-хімічних процесів твердіння композитів;

- встановлено закономірності зміни ударостійкості, адгезії до бетону, стираності і інших спеціальних властивостей модифікованих композитів під впливом полівінілацетатних добавок і полімерних фібр;

- оцінено в обчислювальних експериментах з ЕС-моделями, як індивідуальний ефект від введення кожного з модифікаторів, так і ефект їх спільного введення в суміші з різним фракційним складом піску;

- з урахуванням результатів моделювання й обчислювальних експериментів у багатокритеріальній задачі вибору матеріалу для спеціальних

з

ремонтних робіт, визначена область раціональних складів модифікованого композиту.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень враховані при складанні технічних умов ТУ У БВ. 2.7-14073675.001-99 “Склади полімерцементні на основі сухих сумішей «Токан», розроблених проблемним інститутом ресурсо- і енергозберігаючих технологій у будівництві ’’Академресурсоенергопроект”. Для ремонту злітно-посадочних смуг аеродромів по оптимізаційним діаграмах обрані склади, що задовольняють технологічним, загальнобудівельним і спеціальним вимогам. Композиції з полімерною фіброю і редиспергованим полівінілацетатним порошком використані для ремонту 205 м2 залізобетонних плит аеродромних покрить на одному з об'єктів Міноборони України.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем були отримані:

- масив експериментальних даних про реологічні, технологічні, за-гальнобудівельні і спеціальні властивості 40 різних по складу цементно-піщаних композитів, у тому числі армованих різними полімерними фібрами і утримуючих полівінілацетат у виді емульсії і редиспергованих порошків;

- комплекс моделей, що описують вплив складу на властивості модифікованих цементно-піщаних композицій;

- склади дисперсно-армованих цементно-піщаних композитів, властивості яких відповідають багатокритеріальшга технологічним і експлуатаційним вимогам до матеріалів для спеціальних ремонтних робіт.

Апробація дисертаційної роботи. Основні результати досліджень представлені на міжнародних конференціях і семінарах «Обчислювальний експеримент і забезпечення якості» (Одеса, 1997), «Реставрація, реконструкція й урбоекологія» (Одеса, 1998), «Оптимізація у матеріалознавстві» (Одеса, 1999), «Раціональний експеримент у матеріалознавстві» (Одеса, 2000), по будівельних матеріалах “Ibausil-14” (Веймар-Германія, 2000).

Публікації. Положення дисертаційної роботи викладені в 6 друкованих працях, у тому числі 3 статті у наукових спеціалізованих виданнях і 3 у матеріалах доповідей у збірниках міжнародних конференцій і семінарів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, основної частини (5 розділів), висновків, а також списку використаних джерел і 2 додатків. Загальний обсяг роботи складає 158 сторінок, з яких 97 сторінок основного тексту, 38 рисунків на 31 сторінки, 19 таблиць на 10 сторінках, список використаної літератури з 148 найменувань на 15 сторінках, 5 сторінок додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні дана загальна характеристика роботи - відзначені, зокрема, її ціль і задачі, основні наукові і практичні результати і апробація.

У першому розділі проведений аналіз публікацій, що дозволив сформулювати мету і задачі роботи, вибрати методики дослідження і розробити його блок-схему.

Особливості роботи бетонних поверхонь спеціальних конструкцій, зокрема аеродромних покрить (Л.И. Горецький, Н. В. Свірідов і ін.), вимагають використання для їх ремонту матеріалів зі специфічним набором властивостей (високий опір ударним навантаженням і зносу, довговічність і ін.). Результати дослідження, а також досвід використання фіброармованого бетону - FRC (A. Brandt, H. Krenchel, Р Еммош, Л.Г. Курбатов, Ф.Н. Рабі-нович і ін. ) показують його конкурентну здатність серед матеріалів для будівництва і ремонту спеціальних споруд. Діапазон керування властивостями і технологією FRC був в останні десятиріччя істотно розширений, як за рахунок заміни сталевої фібри, зокрема, на мінеральну (А.А. Пащенко, В.П.Сербін, К Л. Біркжович і ін.), так і за рахунок переходу до нових матричних матеріалів, зокрема, до сіркобетону (Ю.И. Орловський, И.В. Маргаль).

Почато промисловий випуск (СІЛА, Японія й ін.) полімерної фібри, параметри якої дозволяють використовувати її для ефективного дисперсного армування бетону. Результати дослідження (V. Li, S. Shah, M. Glavind і ін.) і закордонний досвід застосування бетонів, армованих полімерною фіброю, що обговорювалися, зокрема, на Міжнародних симпозіумах по композитам (Варшава, 1994, 1997 і 2000 pp.), дозволяють віднести до перспективних цей напрямок у розробці матеріалів призначених для ремонту спеціальних споруд в Україні.

Ефективність керування властивостями цементно-піщаних композитів, як матриць дисперсно-армованого бетону, за допомогою хімічних добавок модифікаторів не викликає сумніву (В.Б. Ратінов, Ф.М. Іванов, В.Г. Батраков, М.Ш. Файнер, С.В. Коваль і ін.). Однак, особливості робота таких композитів, саме, в якості ремонтних складів для спеціальних споруд, вимагають використання крім суперпластифікаторів, прискорювачів твердіння чи антисегрегаторів сумішей і спеціальних інгредієнтів, що цілеспрямовано сприятиме підвищенню ряду показників якості ремонтних матеріалів. До таких інгредієнтів можна віднести полімери вінілових ефірів. Ці полімери здатні забезпечити у ремонтних композитах підвищену адгезію до бетону і деформативність (Ю.С. Черкінський і ін). Полівінілацетатні модифікатори у вигляді редиспергованих порошків ефективні у сухих будівельних сумішах (Е.К. Карапузов, G. Lute, G. Harold і ін). Слід зазначити, що виконані в

ОДАБА й у Технологічному університеті в Кельце (L. Rudzinsky і ін) пошукові експерименти дали досить оптимістичні результати при модифікації цементно-піщаного композиту і полімерною фіброю і добавками полімеру.

Аналіз інформації про вплив експлуатаційних факторів на вимоги до ремонтних цементно-піщаних композитів і про вплив факторів складу на властивості цих композитів, а також про використання ЕС-моделювання для оптамізації багатокомпонентних систем дозволили обгрунтувати вибір мети та задач роботи.

В другому розділі приведені блок-схема і план експерименту, характеристики використаних матеріалів, а також методика дослідження дисперсно-армованих цементних композицій модифікованих полімерною добавкою.

Блок-схема (рис.1) дозволила формалізувати структуру досліджень і виділити ряд його етапів, зокрема реологічну оцінку технологічних сумішей, визначення фізико-технічних і експлуатаційних властивостей 4 груп цементно-піщаних композитів.

Порівняльні іспити виконані для декількох видів полімерних волокон закордонних виробників.

Фібри Kuralon RM 182x6 і Kuralon RF 350x12 , що випускаються фірмою Kuraray Europe Gmb, відрізняються одна від одної формою, видом і деякими властивостями. Фібра “Kuralon” виробляється на основі полівінілового спирту - продукту лужного омилення полівінілацетату; його атакти-чні макромолекули утворюють кристаліти, що забезпечує високу стабільність і твердість волокон.

Фібра, яка випускається компанією Fibermesh являє собою поліпропіленові волокна з низькою тепло- і електропровідністю, високою кислото- і лугостійкістю. Волокно володіє високою розтяжністю (міцність на розтягання вдвічі більша, ніж в вуглецевій сталі), а також модулем пружності близьким до бетону. Зв'язок з цементним каменем здійснюється за рахунок фізичного зчеплення (нерівності і “мікрогофри” на поверхні волокон), і механічного заклинювання гнучких волокон у бетонній матриці.

Полівінілацетатна 50% емульсія випускається Сєвєродонецьким заводом “Полімерпобутхім” об'єднання ’’Азот”. Редисперговані порошки Vinnapas, що випускаються фірмою Wacker Polymer Systems утворюються розпилювальним висушуванням спеціальних водяних дисперсій полімерів, сополімерів і їх сумішей.

Експерименти виконані по несиметричному D-оптимальному 12 - точечному плані, що орієнтований так, щоб 3 точки відповідали еталонному композиту (без добавки і фібри), а по дві точки - композитам, модифікованим чи тільки полімерною добавкою чи тільки полімерною фіброю.

ПРОБЛЕМА - підвищення ефективності композитів для ремонту об'єктів спеціального ________призначення.__________

ОБ’ЄКТ - цементно-піщані дисперсно-армовані композити для спеціальних ремонтних

робіт_______________

ЦІЛЬ ДОСЛІДЖЕНЬ -оптимізація властивостей цементно-піщаних композицій, модифікованих полімерною фіброю і полівінілацетатними добавками з врахуванням критеріїв, що визначають їхнє застосування для спеціальних ремонтних робіт_______________

МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ *Оптнмальне планування багатофакторних експериментів для одержання нелінійних моделей, що описують зв'язок між факторами складу композита і його властивостями.

* Оцінка реологічних параметрів технологічних, сумішей на основі пластограм і кривих в’язко-пластичної течії. ^Експериментальне визначення показників загальнобудівельних і спеціальних (ударостійкість, адгезійна міцність, тріщиностійкість і ін.) властивостей композитів. ^Обчислювальні експерименти з комплексом ЕС-моделей і багатокритеріальний аналіз оптимізаційних діаграм.

г

Група цементно піщаних композитів для ремонтних робіт Бе- тон

А В с 1 ° Е

ФАКТОРИ ВАРЬЙОВАНІ(+)

і СТАБІЛІЗУЮЧІ (3)

Витрати цементу с с с с +

Відношення ІД/П с с с с +

В/Ц с с с с +

Частка крупного піску

у суміші з дрібним + + + + —

Метілцеллюлоза с с с с _

Суперпластифікатор с с с с +

Антивспінювач с с с с —

Емульсія ПВА + + + — —

Редиспергований порошок ПВА — — — “Г —

Фібра полімерна:

- Кигаїоп К|4 (014мхм) — + — + —

- Кигаїоп К2оо (00.2мм) + — — — +

- РіЬегтезїі Р (043мкм) — — ■ь — —

ТЕХНОЛОГІЧНІ КРИТЕРІЇ

Гранична напруга зрушення,

Рш кПа, за першу добу + + + + —

Рт{*=1}, ПІСЛЯ 1 ГОДИНИ ТВЄрДІНІ1Я + + + —

с{Рга=50}, година, час досягнення

Структурної міцності 50кПа + + + + —

Швидкість структуроутворення

за часі{РІп=50} + + + + —

Ефективна в'язкість т\, Па*з + + + + —

Щільність суміші р, кг/м3 + + + + н-

ЗАГАЛЬНОБУДІВЕЛЬНІ КРИТЕРІЇ

Границя міцності

- при стиску Н_с, МПа + + + + +

- при згині Кь, МПа + + + + +

Щільність р, кг/м3 + 4- + + +

Водопоглинання V/, % + + + + +

Показники пористості:

Однорідність пор а + + + + —

Середній розмір пор X + + + + —

СПЕЦІАЛЬНІ КРИТЕРІЇ

Ударостійкість Т, Дж + + + + —

Стираність АЇІ, г/смі + + + +

Адгезія до бетону А, МПа + + + —

Границя міцності

- при розколюванні і^, МПа + + + + +

- при зрізі Я*, МПа + + —

Коефіцієнт інтенсивності

напружень К{с, МПа*м°5 + + + + —

Використання результатів досліджень при ремонті _______________аеродромних покрить.______________

Рис.1 Блок-схема досліджень.

При проведенні експериментів використаний портландцемент М400 Амвросієвського концерну “Цемент”; “дрібний пісок” - кварцевий, фракцією до 2.5, Олександрівського кар'єру Миколаївської області; “крупний пісок” - відсів гранітного щебеню, фракцією 2.5-5, Вировського родовища Ровенської області

Для чотирьох груп цементно-піщаних композитів (А, В, С, Б- рис.1) у натурному експерименті зафіксовані цементно-піщане (Ц:П=1:3) і водоцеме-нтне (В/Ц=0.61) відношення, а також дозування (у м. ч. на 100 м.ч. цементу)

- метілцеллюлози марки 40000 (0.2), суперпластифікатора С-3 (0.8) і антивс-пінювача (0.3). Варіювалася, по масі, частка крупного кварцевого піску (питома поверхня 2 м2/кг - позначений Бс) у суміші з дрібним (10-12 м2/кг -позначений Бг) в межах Бс/Эс+г = Хі= 60±20%. Добавка на основі вінілових ефірів вводилася в двох варіантах: у вигляді 50-% водяної емульсії в межах Ае=Х2е=10±10, м.ч., чи у вигляді редиспергованого порошку УіппараБ® КЕ 523 Z, у межах Ар =Хір= 5±5, м.ч.

Армування здійснювалося фібрами Кигаїоп® ІІМ 182x6 (Ки) чи Кигаїоп® КБ 350x12 (Кгоо) на основі полівінілового спирту. їхній вміст варіювався відповідно в діапазонах 0 ^ Кц=Хз < 2.12 і 0 < К2оо=Хз < 4.24, м. ч. У групі «С» армування відбувалося фіброю НЬегтевЬ® (Б), що дозувалася в діапазоні 0 < Б=Хз 5 0.25, м. ч. Верхні границі відповідають вмісту фібри по фірмових рекомендаціях. Перехід до нормалізованих перемінних -1 < хі< +1 виконаний по типовій формулі Хі=(Хі - Хі)/ АХі.

Кінетика росту структурної міцності оцінена по граничній напрузі зрушення (Рга, кПа) дисперсної системи, обумовленої по методу занурення конуса в масу, що твердіє, на конічному пластометрі.

Міцність на розтягання при згині (Ііь, МПа) визначалася на зразках-балочках 4x4x16 см. Міцність на стиск (Ис, МПа), на розтягання при розколюванні (І*і, МПа) і міцність зразків при зрізі (Д5, МПа) визначалися при іспиті зразків - половинок тих же балочок після попереднього іспиту їх на розтягання при згині. Ударну міцність (Т, Дж) оцінювали за результатами іспитів зразків на копрі з падаючим бойком. Зносостійкість (АЛ, г/см2) визначали на приладі ЛКИ-3. Тріщиностійкість оцінювалася за коефіцієнтом інтенсивності напружень - Кіс (МПа*м0-5) на зразках з ініційованою тріщиною. При визначенні адгезії ремонтних композитів (А, МПа) застосовувалася спеціальна методика, що враховує принципи механіки руйнування; використовувалися зразки з ініційованою пропиленою тріщиною, випробувані для гарантованого руйнування зразка по шві між новим і старим матеріалом по чотирьохточечній схемі.

Експериментальні дані піддавалися багатостадійній математичній обро-

бці. Після первинного аналізу результатів (оцінки середніх, помилок вимірів відгаорюванності) були побудовані, в системі СОМРЕХ - 99 (ОДАБА) більше 100 моделей, що використовувалися для прийняття технологічни: рішень. На цих етапах були застосовані деякі нові методичні прийоми (пере творення критеріїв, моделі приросту критеріїв якості під впливом КОЖНОГО : модифікаторів і їх сукупності і т.д.), які дозволили розширити висновки пр< вплив компонентів складу дисперсно-армованих композитів.

У третьому розділі представлені результати аналізу впливу полімерно добавки і дисперсно-армованого волокна на процеси структуроутворення оцінювані по реологічним критеріям, зокрема по кінетиці зміни пластично міцності в перші години твердіння. Інформація про спільний вплив ци; двох модифікаторів вкрай обмежена, але ряд попередніх досліджені (Т.П. Бойко, Я. Іванов, H.H. Кругліцький та ін.) дозволяють припустити

що раціональна зміна співвідношення між цими інгредієнтами може даті

позитивні технологічні ефекти, у тому числі необхідні для сумішей, викорис товуваних у ремонтних роботах.

На рис.2 показані характери процеси збільшення пластичної міцно ЗМІСТІ композіщій Рш (по величині пенет рації на пластометрі типу П.А. Ребін дера). Композиції з підвищеним вміс ТОМ крупних зерен піску (Sc/Sc+f =80%; № 3 - немодифікована; № 9 - неармс вана з високим рівнем дозуванн Vinnapas, плівки якого можуть блоку вати доступ води до зерен цемент} № 5 - бездобавочна з підвищенні вмістом фібри, просторові перегак тення якої утворюють каркас, щ

0

Рис. 2. тичної

Кінетика зміни плас-міцності Pm, кПа, в

збільшує “несучу здатність” суміші, отже Й Рт. Усі кінетичні криві 1пРт(і

перші 12 г. твердіння

адекватно описуються поліномам п'ятого ступеня рп{п=5}.

Для аналізу впливу інгредієнтів на кінетичну криву використані уз< гальнюючі показники G{Pm} однофакторного поля Рт(т) (Т.В. Ляшенко Технологічно важливим узагальнюючим показником є ча G {Рш} l=t (Ргп .norm}) Г, необхідний для досягнення композицією, що твердії нормативного рівня пластичної міцності; зокрема по умовах виробництв конкретних ремонтних робіт цей рівень прийнятий Pm = 50 кПа. Так, дл

модифікованої композиції №10 (Sc/Sc+f =60%, Ае= 20, F =1.06), ріст пластичної міцності описується моделлю

Pm = exp (1.86+0.72-т-0.34-'г2+0.067-тЧ).0053-т4+0.00015-т5) (1)

ічаст{50} = 10.74г.

Два інших узагальнюючих показники - це:

2

G{Pmh= Pm{ 1} = 0.5 • [p(r)dr - інтегральна пластична міцність в першу

0

годину структуроутворення, кПа, і

G{Pm}3=vA{Pm }= ЛРга і At = (50 - G{Pm}i)/( G{Pm}2 - 1) - усереднена по діапазонах АРга і At швидкість росту пластичної міцності, кПа/г.

Вплив на час t{50} варійованих факторів складу, що включає редис-перговану добавку, описується EC-моделлю, з якої вилучені п'ять статистично не значущих оцінок коефіцієнтів

t{50}p = 8.34 • -0.5ІХ12 +0.26хіх2р •

+1.23хгр • •

-1.74x3 • (2)

Побудовані цій моделі однофакторні залежності, що проходять через координати максимального і мінімального часу досягнення структурною міцністю рівня Рт=50 кПа (рис.З), дозволяють відзначити нелінійний вплив гранулометрії пісків і різнонаправлений вплив на структуроутворення композитів ПВА-добавки і фібри. Узагальнюючі показники використані для

порівняльного аналізу виду ПВА (емульсія чи порошок). На рис.4 відображені в просторі, трьох факторів складу, ізоповерхні швидкості росту пластичної міцності Уд{Рщ} КОМПОЗИТІВ З добавкою емульсії і поро-

40 60 80 0 5 10 0 106 2.12 ШКу ПВА' їхНІЙ аНЗЛІЗ ПО‘

&/S*f(Xi) ПЕА-доЄавка(Хг) Ффа(Хз) казує, що введення полімер-

Рж.З. Вплив факторів складу бетону на час 1101 фібри збільшує швид-

досяпшда іюрмттазшї пласіжнсї міцності t{50}. кість Р0СТУ пластичної міц-

ності майже у півтора рази.

Добавки на основі полівінілацетата, сповільнюють швидкість структуроутворення, однак, по мірі збільшення кількості фібри цей вплив зменшується Саме в спільному впливі підвищеного вмісту добавки і фібри (праві передні грані кубів на рис.4) спостерігається основна відмінність між композиціями з емульсійною і порошкоподібною добавками - остання дозволяє краще регулювати швидкість структуроутворення в дисперсно-армованш технологічних сумішах.

До аналогічних висновків про роль добавки полівінілацетату і полімерної фібри приводить аналіз кривих течій, отриманих на ротаційному віскозиметрі Лоїаігоп. Ці криві добре описуються реологічною моделлю дш псевдопластичної рідини Л=г!і*(7,)т Із збільшенням вмісту волокнистого компоненту росте і в'язкість г|і (при градієнті швидкості деформацій у'=с'і) і абсолютне значення індексу |т| темпу руйнування при деформації суміші Однак ці ефекти можуть бути знижені приблизно у півтора-два разк за рахунок введення добавки полівінілацетату у вигляді емульсії чи редис-пергованого порошку, стабілізуюча дія якого особливо виявляється ї присутності метілцеллюлози.

Результати реологічних досліджень показали, що введення в технологічні суміші, що містять полімерну фібру, добавок полівінілацетату дозволж регулювати, як початкову в'язкість композиції, так і кінетику росту пластич ної міцності в перші години твердіння, що дозволяє проектувати раціональн технології ремонтних робіт на спеціальних спорудах.

Рис. 4. Ізоповерхні усередненої швидкості росту пластичної міцност Ул{Рга} композитів з добавкою емульсії (а) і порошку ПВА (б).

У четвертому розділі проаналізовано вплив факторів складу на основні фізико-механічні й експлуатаційні властивості модифікованих дисперс-но-армованих композицій.

На першому етапі дослідження армованих полімерною фіброю композитів були оцінені їхні механічні властивості при стиску (Яс) і згині (Ііь). Введення в цементні композити тонкодисперсної полімерної фібри значно збільшує їх граничну деформативність, але незначно позначається на рівні границі міцності при стиску і згині (Н^и, А. Каатап, К. Тгіік, І. УосіісЬка).

Аналіз ЕС-моделей показує, що міцність на згин армованих композитів більш чуттєва до дозування полімерних модифікаторів, чим міцність при стиску. При введенні двох модифікованих добавок на максимальних рівнях (х2=хз=1) Ль у 28-добовому віці зростає приблизно на 10% у порівнянні з еталонними складами. При цьому кількість полімерної добавки мало позначається на Яь, а фібра лінійно збільшує його рівень. Після 180 доби твердіння позитивний ефект від введення модифікаторів трохи вищий - міцність при згині збільшилася на 30% при максимальних дозуваннях, як одного так і іншого модифікатора.

У зв'язку з великим діапазоном досліджувальних значень ударостійкості 1 <Т> 19 Дж, цей параметр зажадав спеціального перетворення (В.А. Вознесенський). При моделюванні використаний критерій аг(Т)=Іп(р/(1-р)), де р=Т/Тв.г. (причому знаменник Тв.г =20 вибирається трохи вище верхньої границі значень, що зустрічається у всіх серіях експерименту). Отримано, зокрема, для композита групи О модель,

агТ=-0.16 +0.11хі -0.83хі2 + 0.11хіх2 •

+ 0.54x2 -0.18хг2 +0.07X2X3

+ 1.05x3 • , (3)

яка адекватно описує поле ударостійкості з максимумом ТШах=15.9Дж (агТ= 1.344 при хі=0.13, х2=хз=1), мінімумом Тппп = 1 .ЗДж (аеТ= -2.70 при хі=1, х2=хз=-1) і відносним приростом критерію в 12.2 рази при оптимальному керуванні факторами складу. Ефект досягається за рахунок одночасного дозрання ПВА-добавки і фібри Кигаїоп на верхніх рівнях (відповідно 10% і 2.12%), причому це дає додатковий приріст Т за рахунок ефекту синергізма (Ь2з>0). Особливо відзначається, що позитивний ефект досягається при оптимальній гранулометрії змішаного піску з 60-63% крупних зерен.

Моделі типу (3) були використані для обчислювальних експериментів з метою виявлення ефективності одночасного введення ПВА-добавки (Р) і полімерної фібри (ї7) у немодифіковані композити (коефіцієнт відносної

ефективності кэ{РР}), а також введення полімерної добавки в композити які містять фібру (критерій кэ{Р}) і введення фібри в композити модифіко вані полівінілацетатом (критерій к3{Р}). Моделі ефективності повині буп побудовані (В.А. Вознесенський, Т.В. Ляшенко) у вигляді неповних кубіч них поліномів; зокрема, для критерію ефективності введення полівінілацета та отримана адекватна модель:

кз{Р}=1.59+0.15x1+0.43x2-0.17хз+0.18хі2-0.1 Зх22-0.06хз2+0.1 бхіхг

-0.06хіхз-0.1ЗХ2Х3+0.18хі2х2+0.05хі2хз-0.07хіх2хз (6

Ізоповерхні, отримані по цій моделі, показані на рис.5а; там же відо бражені ізоповерхні кэ{Р} і к,{РР}. З їх аналізу випливає, що за рахуно; введення добавки полімеру ударостійкість зростає майже в три рази, незале жно від рівня двох інших факторів. Ще більший ефект досягається за раху нок введення в композицію тільки фібри (рис. 56). Опір удару складів армс ваних волокнами з полівінілового спирту зростає, у порівнянні з еталонниі складом у п'ять разів. Найбільший же ефект спостерігається саме при спілі ному введенні обох модифікаторів. З рис.5в видно, що в зоні пісків ПІДВИЩЕ ної крупності (хі=1) ударостійкість композита максимально модифікованог добавками зростає більш ніж у 10 разів, у порівнянні зі складами без фібри без добавки (кэ{РР}юн = 10.3).

Вплив кількості (% по масі цементу) добавки ПВА (на суху речовину) фібри Кигаїоп Ки на зміну адгезії ремонтного складу до бетону А (МПа) і

Рис.5. Ефективність введення модифікаторів за рахунок - полімер» добавки (а), фібри (б), та спільно фібри і добавки (в).

стираності AR (г/см2) показано на рис.6. Полівінілацетатна емульсія (рис.ба) є основним компонентом, що підвищує адгезію, однак, по мірі збільшення кількості полімерних волокон її ефективність знижується (імовірно, через негативний пристінний ефект у розташуванні волокон у поверхні ремонтуємого бетону). Добавка ПВА поза залежністю від кількості волокон зменьшує стираність композита на 17-20%.

Полімерна фібра (рис.бб) робить істотний позитивний вплив головним чином на стираність цементно-піщаного композита, зменшуючи її на 20-25%; аналогічний ефект отримано при іспиті бетону з заповнювачем до 10 мм в серії “Е”. В той же час значимого впливу волокон на адгезію ремонтного складу до бетону, як видно з рис.бб знайти не вдалося.

Основним критерієм тріщиностійкості був прийнятий використовуваний у механіці руйнування критичний коефіцієнт інтенсивності напружень Кіс (МПа*м05). Аналіз моделей Кіс, а також k3{PF}, k3{F} і кэ{Р} дозволив зробити висновок про те, що введення фібри істотно підвищує тріщиностійкі сть композита (у цілому на 20%).

Особливо ефективна фібра в композитах, що містять підвищену кількість добавки на основі вінілових ефірів, коли Кіс за рахунок волокон зростає на 50-70%. Як показав візуальний аналіз технологічного пошкодження зразків (В.Н. Вировий, B.C. Дорофєєв), введення 10% редиспергованого порошку приводить, за рахунок збільшення адгезії між компонентами, до збільшення розмірів структурних блоків (у порівнянні з немодифікованим композитом) при більшій ширині розкриття тріщин (за рахунок підвищеної усадки матриці). Однак, оптимальний розподіл дисперсно-армованої тонкої

Добавка сухого ПВА Количество фибры

—*— А{0) А{1.06} -ф-А{2.12} —*-А(0> —A(S)

—*—ARtO} -£-AR{1.06} -A—ARI2.12I ARJO) -A—ARJ5} -£-AR{10)

Рис.6. Вплив кількості ПВА-добавки (а) і фібри Км (б) на зміну адгезії ремонтного складу до бетону і стираності.

(012-14мкм) полімерної фібри на порядок зменшує розмір структурних блоків, що веде до росту тріщиностійкості.

Додатково до комплексу властивостей, що забезпечують якість ремонтних композитів для конкретних спеціальних споруд, були побудовані і проаналізовані ЕС-моделі границь міцності при зрізі і розколюванні, водо-поглинанні, середнього розміру капілярних пор та ін. Оскільки ці фізико-механічні показники при оптимальному співвідношенні між ПВА-добавкою і полімерною фіброю зростають на 20-30%, то такі композити можуть бути перспективні для ремонту деяких спеціальних споруд чи конструкцій (промислові підлоги, фундаменти під устаткування і т.п.)

У п'ятому розділі представлені результати вибору оптимальних складів дисперсно-армованих композицій з полімерною добавкою, а також результати їхньої дослідно-промислової перевірки.

Пошук раціональних складів здійснюється по комплексу побудованих по ЕСМ двохфакторних діаграмах («ПВА-добавка - полімерна фібра»). Зображена на рис.7 область припустимих складів для ремонту аеродромних плит (незатемнена) обмежена не тільки по мінімальному змісті ПВА-добавки (від 2 до 4% за рівнем адгезії А>ЗМПа і водопоглинання \У<6%), але і по максимальному (по заданому часі досягнення пластичної міцності т{50}£І0г). Найбільш жорсткі ці обмеження для композитів з невеликим дисперсним армуванням (область з Р<0.7% узагалі закрита обмеженням за рівнем зносу АИ<0.25 г/см2). В області припустимих складів показані ізолінії двох важливих для ремонту аеродромних смуг критеріїв - ударостійкості Т і коефіцієнта інтенсивності напружень Кіс, що має максимуми при верхній границі змісту фібри, але при різному змісті ПВА-добавки.

Рис. 7. Оптимізаційна діаграма | з ізолініями шести критеріїв і якості модифікованого цемен-! тно-піщаного композита.

) 1.06 2.1.2

Кигаїоа КМ 182x6 (Х3) (

Результати досліджень враховані при складанні технічних умов ТУ У БВ.2.7-14073675.00І-99 ’’Склади полімерцементні на основі сухих сумішей «Токан», розроблені проблемним інститутом ресурсо- і енергозберігаючих технологій у будівництві ’’Академресурсоенергопроект”. Композиції використані для ремонту 205 м2 аеродромних покрить на об'єктах Міноборони України. Вони успішно замінили композиції закордонного виробництва, забезпечивши економічний ефект до 2000-2500гр. наї тонну композицій.

ВИСНОВКИ

1. При ремонті бетонних і залізобетонних конструкцій спеціальних будівельних об’єктів для збільшення ударостійкості і зменшення стираності поверхонь, як конкурентоздатний матеріал, доцільно використовувати цементно-піщаний композит, дисперсно армований тонкою полімерною фіброю (з поліпропілену чи полівінілового спирту) і модифікований добавками полівінілацетата (у вигляді емульсій чи редиспергованих порошків).

2. Результати натурного експерименту, ЕС-моделювання й обчислювального експерименту з комплексом моделей показали, що корисний досить широкий діапазон складів модифікованих цементно-піщаних композитів; зокрема, для споруд типу аеродромних смуг оптимальні по ударостійкості, стираності і адгезії до бетону ремонтні композити, що містять (на 100 масових частин цементу) 1.5-2.2 м.ч. полімерної фібри діаметром 12-14 мкм і 8-10 м.ч. (у сухій речовині) полівінілацетату у вигляді емульсії чи редиспер-гованого порошку.

3. На основі аналізу кінетики росту пластичної міцності цементно-піщаних композицій, що містять полівінілацетат і армованих полімерною фіброю, визначені склади, при яких технологічна суміш здобуває необхідну початкову міцність (для ремонту аеродромних плит 50 кПа) у діапазоні від 1 до 10 годин після приготування.

4.По математичним моделям кінетичних кривих розрахований спецаль-ний узагальнюючий показник, що враховує наявність у технологічній суміші “несучого” каркасу з переплетених фібр - усереднена швидкість набору міцності, що дозволив оцінити вплив складу композиції на структуроутворення суміші і провести порівняльний аналіз впливу інгредієнтів; показано, що редисперговані добавки мають великі можливості для регулювання структуроутворення армованих технологічних сумішей, особливо на дрібних пісках.

5. Комплекс ЕС-моделей описує спільний і індивідуальний вплив кожного з модифікаторів і зернового складу змішаного піску, на абсолютні і відносні значення показників якості цементно-піщаних композитів; цей комплекс дозволяє керувати рівнями загальнобудівельних і спеціальних

властивостей (ударостійкість, сгараність, в'язкість руйнування й ін.) ремонтних модифікованих цементно-піщаних композитів.

6. Пропозиції по складах модифікованих фіброю і полімерною добавкою цементно-піщаних композицій для ремонтних і спеціальних робіт, були враховані при складанні технічних умов ТУ У БВ.2.7-14073675.001-99 ’’Склади полімерцементні на основі сухих сумішей «Токан» і випробувані при ремонті 205 м2 аеродромних покрить на одному з об'єктів Міністерства оборони України.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Анализ реологических параметров полимерцементных композиций для отделочных, ремонтных и специальных работ / Я. Иванов, В. Стоянов, Т.И. Пищева, О.А. Попов, П.М. Довгань // Науковий вісник будівництва: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - Вип.7. -Харків, 1999. - С.271-277.

Внесок здобувача - інтерпретація результатів моделювання реологічних властивостей сумішей для ремонтних робіт.

2. Использование СОМРЕХ-99 при моделировании параметров кривых пластической прочности цементно-полимерных композиций с фиброй Куралон / Вознесенский В.А., Довгань П.М., Ляшенко Т.В., Хлыцов Н.В., Попов О.А. // Наук, вісник буд-ва: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - Вип.8. - Харків, 1999.-С.21-28.

Внесок здобувача - проведення експериментальних робіт і аналіз моделей, що описують зміну пластичної міцності композицій.

3. Цементно-песчаные композиты, армированные полимерной фиброй и модифицированные полимерами винилового эфира / С.А. Кровяков, О.А. Попов, П.М. Довгань, Т.И. Пищева, А.Н. Берчатов // Вісник Донбась-коїДАБА.- Вип.2(22). - Макіївка,: Изд. ДДАБА.- 2000. -С.152-155

Внесок здобувача- експериментальні робота, технологічні рекомендації

4. Попов О.А., Экспериментально-статистическое моделирование влияния состава на механические характеристики бетона, армированного полимерной фиброй “Куралон” // Эффективные материалы и технологии в сельском строительстве. -Новосибирск: 1999. -С.37-40.

5. Попов О.А., Оптимизация свойств цементных композиций армированных полимерной фиброй для ремонтных работ // Рациональный эксперимент в материаловедении. - Одесса, Астропринт 2000. -С.50-51.

6. Modelling the Influence of Polyvinylacetate Admixture and Polymer Fibre on Hardening Kinetics of Cement-Sand Compositions/ V. Voznesensky, T.Lyashenko, P.Dovgan, O.Popov // Proc. 14Ibausil. -Weimar, 2000.-P.569-575.

Внесок здобувача - виконання експериментальних робіт і побудова моделей впливу складу композицій.

АНОТАЦІЯ

Попов О А. Оптимізація властивостей цементних композитів з полімерною фіброю для ремонтних робіт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. - Одеська державна академія будівництва і архітектури, Одеса, 2000.

Робота присвячена оптимізації властивостей ремонтних цементно-піщаних композитів, армованих полімерною фіброю і модифікованих полімерними добавками. Установлені закономірності спільного і індивідуального впливу полімерної фібри і полівінілацетату (у вигляді емульсії чи редис-пергованого порошку ) на процеси структуроутворення композицій. На основі експериментально-статистичних моделей оцінено вплив полімерної фібри і добавки, а також зернового складу змішаного піску, на загальнобу-дівельні і спеціальні властивості композитів (ударостійкість, зносостійкість, адгезія до бетону і ін.). Результатами оптимізації основних технологічних і експлуатаційних властивостей використані при розробці технічних умов на модифіковані сухі цементно-піщані композиції і при ремонті ділянки аеродромного покриття.

Ключові слова: дисперсно-армовані композиції, полімерна фібра, полі-вінілацетатна добавка, структуроутворення, ударостійкість, адгезія, зносостійкість, експериментально-статистична модель.

АННОТАЦИЯ

Попов О.А. Оптимизация свойств цементных композитов с полимерной фиброй д ля ремонтных работ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2000.

При создании строительных растворов предназначенных для ремонтных и других видов специальных работ, с применением новых видов ингредиентов - оптимальное планирование эксперимента и выбор оптимальных составов, позволяет значительно сэкономить как материальные, так и временные ресурсы. Экспериментально-статистическое моделирование на такой основе дает возможность наиболее полно извлекать из экспериментальных данных полезную информацию, что в свою очередь предполагает собой ускорение прогресса в инженерной практике Украины.

На основании анализа обобщающих показателей описывающих изме-

нение структурно-механических и реологических свойств установлено, что совместное введение в цементно-песчаный композит полимерной фибры и добавок на основе виниловых эфиров позволяет регулировать его структу-рообразование в первые сроки твердения, что значительно расширяет диапазон технологий предназначенных для ремонта объектов специального назначения, в частности - аэродромных покрытий.

При анализе основных физико-механических свойств цементнопесчаных композиций модифицированных одновременно и полимерной фиброй и полимерной добавкой, установлено значительное расширение возможностей управления качеством таких композиций с учетом особенностей и требований возникающих при ремонте различных видов цементобетонных покрытий.

С использованием специальной методики, обеспечивающей минимизацию опытно-экспериментальных работ, для сравнительного анализа армирующих полимерных волокон и полимерных модифицирующих добавок, построен комплекс ЭС-моделей. Это позволило описать влияние как индивидуально каждого из модификаторов, так и влияние их совместного введения, а также влияние изменения гранулометрического состава песка, на абсолютные и относительные значения эксплуатационных показателей качества дисперсно-армированных цементно-песчаных композиций (ударостойкость, адгезия к бетону, трециностойкость, износостойкость и др.), что позволяет значительно расширить область применения таких композиций для ремонта иных типов объектов специального назначения (паркинги, фундаменты под оборудование, промышленные полы и т.п.).

По комплексу, построенных по экспериментально-статистическим моделям, двухфакторных диаграмм произведен выбор рациональных составов дисперсно-армированных композиций с полимерной добавкой. Предложения по составам модифицированных фиброй и полимерной добавкой цементно-песчаных композиций для ремонтных и специальных работ, были опробованы при ремонте 205 м2 аэродромных покрытий на одном из объектов Министерства обороны Украины. Экономический эффект полученный при замене аналогичных композиций импортного производства составил до 2000-2500гр. На 1 тонну композиции. Также результаты исследований учтены при составлении технических условий ТУ У БВ.2.7-14073675.001-99 ’’Составы полимерцемешные на основе сухих смесей ’’Токан” разрабо тайные проблемным институтом ресурсе- и энергосберегающих технологи» в строительстве ’’Академресурспроект”.

Ключевые слова: дисперсно-армированные композиции, полимерна} фибра, полимерная добавка, структурообразование, ударостойкость, адге зия, износостойкость, экспериментально-статистическая модель.

ANNOTATION

Popov O.A. Optimization of the Properties of Polymer Fibre Reinforced Cement Composites for Repair Works. - Manuscript.

The thesis for competing the candidate’s degree on speciality 05.23.05 -Building materials and products. Odessa State Building and Architecture Academy, Odessa, 2000.

The dissertation is devoted to optimization of repair cement-sand composites reinforced with polymer fibre and modified with polymer admixtures. The regularities of joint and separate influence of the fibre and polyvinylacetate (water emulsion or re-dispersible powder) on structure formation processes in the compositions have been established. The influence of polymer fibre and admixture and of sand grain composition on conventional and special properties of building composites (impact strength, abrasion resistance, adhesion to concrete, etc.) have been evaluated on the base of experimental-statistical models. The results of optimisation of basic technological and service properties have been used when developing the specifications for modified dry cement-sand compositions and when repairing the site of airfield covering.

Key words: fibre reinforced composition, polymer fibre, polyvinylacetate admixture, structure formation, impact strength, adhesion, abrasion resistance, experimental-statistical model.