автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Поливибрационный песчанный бетон

Министерство образования Российской Федерации

РГБ ОД 1 9 ИЮН 2003

На правах рукописи КРАСНОВ Анатолий Митрофанович

ПОЛИВИБРАЦИОННЫЙ ПЕСЧАНЫЙ БЕТОН

Специальность 05.23.05-Стр9ительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Йошкар-Ола, 2000

Работа выполнена в Марийском государственном техническом университете на кафедре "Автомобильные дороги".

Официальные оппоненты

Ведущая организация —

Член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Соколова Ю.А.

Член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Афанасьев A.A.

Член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Ерофеев В.Т.

НИИМОСстрой

Защита состоится "31" мая2000 в>4часов ,оуд. на заседании диссертационного совета ; Д 114.05.08 при Московском Государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 101475, Москва, ул. Образцова, 15. Справки по телефону .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа. Отзыв на автореферат просим направлять на имя ученого . секретаря в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения.

Автореферат разослан 2000 года ; 13 опрел^.

Ученый секретарь

диссертационного совета, канд. техн. наук, доц. Разумовский А.Б.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ЦЕМЕНТНОГО ПЕСЧАНОГО БЕТОНА С НАПОЛНИТЕЛЕМ

Актуальность работы. Одной из основных задач в области материаловедения является совершенствование технологии получения строительных материалов с теми свойствами, которые обеспечивали бы эксплуатационные требования. Решение подобной задачи связано с управлением процессами формирования общей структуры цементного бетона на различных уровнях микро- и макроструктур. Проблема управления процессами структурообразования строительных материалов рассматривалась многими учеными: И.Н.Ахвердовым, Ю.М.Баженовым, А.В.Волженским, В.Н.Выро-вым, Б.Н.Виноградовым, В.Д.Глуховским, И.М.Грушко, Б.В.Гусевым, П.Г.Комаховым, О.В.Кунцевич, З.М.Ларионовой, Л.А.Мали-ниной, С.П.Мчедловым-Петросяном, О.Г.Ольгинским, И.А.Рыбье-вым, Б.Г.Скрамтаевым, М.М.Сычевым, В.И.Соломатовым, С.Х.Ярлушкиной.

Свойства цементных бетонов находятся в прямой зависимости от структуры и свойств заполнителя, цементного и капиллярно-поровогб пространства. От этих свойств и их взаимосвязи зависит получение долговечных цементных бетонов с заданными прочностными характеристиками.

Получение основных строительных характеристик неразрывно связано с осуществлением ряда технологических полей воздействия на бетонную смесь, формирующих первоначальные структуры цементного бетона на микро- и макроуровнях: способы уплотнения, химические и минеральные добавки, активация минеральных заполнителей, условия твердения цементного камня.

Формирование плотной структуры зоны контакта (ЗК) в межзерновом пространстве цементного бетона часто связано с использованием местных некондиционных заполнителей, что дает возможность сократить материален и энергоемкость изделий и расширить сырьевую базу для получения равноценного с классическим тяжелым цементным бетоном мелкозернистого песчаного бетона.

Формирование высокопрочной структуры осуществлялось поливибрационным воздействием при уплотнении жесткой цементно-песчаной смеси, в которой одновременно происходили различные по величине и частоте колебательные процессы для плотной упаковки песчаного заполнителя и цементного геля с наполнителем цементного камня.

Процессы уплотнения бетонных смесей различного состава изучали ученые многих стран: Э.Фрейсине, Р.Лермит, П.М.Миклашевский и С.В.Шестоперов, И.Н.Ахвердов, Б.Г.Гольдштейн,

Г.Я.Куннос, П.А.Ребиндер, И.Н.Руденко, В.Н.Шмигальский, А.А.Афанасьев, П.И.Новосельский, Ф.Г.Брауде, К.А.Олеханович, СЛ.Осмаков, О.А.Савинов, Б.В.Гусев, В.Г.Зазимко.

Цель работы. Разработка высокоэффективного и высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона с малым расходом цементного вяжущего методом поливибрационного уплотнения цементно-песчаной смеси на основе местного сырья - мелкозернистого кварцевого песка республики Марий Эл.

Для решения поставленной задачи проводились научные исследования по следующим направлениям:

• разработка представления о кварцевом заполнителе как об элементе зоны контакта, минералы которого способны оказывать влияние на процессы контактообразования и подвергаться воздействию внешней среды;

• установление влияния кварцевого наполнителя как составной части цементной матрицы песчаного бетона на повышение гидрата-ционного структурообразования и регулирования образования повышенной плотности структурной системы на микро- и макроуровне рассматриваемого объекта как системы;

• установление влияния процесса уплотнения цементно-песчаной смеси на физико-химические особенности структурных изменений песчаного бетона;

• изучение роли моно- и поливибрационного механического воздействия и определение их критерия интенсивности на формирование структурной прочности мелкозернистого песчаного бетона;

• установление зависимости структурной прочности композиционного материала - песчаного бетона - от кристалло-химических особенностей 'минералов заполнителя, толщины и микротвердости их цементной пленки, влияющих на основные строительные свойства;

• обоснование и экспериментальная проверка физико-химической активации заполнителя электролитами и химическими добавками;

• установление роли поливибрации в качественном изменении структуры композиционного материала и ее влияние на эксплуатационные физико-механические характеристики и долговечность;

• классифицирование мелкозернистых песчаных бетонов по группам в зависимости от технологического фактора жесткости це-ментно-песчаной смеси;

• установление влияния кварцевого дисперсного наполнителя цементной матрицы на температуростойкость композиционного материала - песчаного бетона;

• установление влияния кварцевого дисперсного наполнителя на скорость коррозионного процесса цементного вяжущего и организацию порового пространства;

• изучение роли дисперсного наполнителя в новой технологии получения легкого песчаного и асфальтового бетонов на основе преднапряженных зерен заполнителя из полистирола; получение новым способом полистиролбитумного вяжущего для песчаного (или мелкощебеночного) асфальтобетона.

Результаты исследований, выносимых на защиту:

• поливибрация и ее критерии интенсивности вибрации как технологического поля механического воздействия на цементно-песчаную смесь для получения оптимальной прочности песчаного бетона;

• механизм взаимодействия разнофракционного заполнителя и дисперсного наполнителя цементной матрицы при поливибрационном уплотнении цементно-песчганой смеси как композиционного бетона;

• оптимальный критерий дисперсного наполнителя цементной матрицы различного минералогического состава и его влияние на физико-механические свойства;

• межзерновая толщина цементной пленки для бетонов различной прочности по результатам установления микротвердости цементного камня межзернового пространства;

• результаты экспериментальных исследований основных строительных свойств поливибрационного высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона и его долговечность в зависимости от воздействия эксплуатационных сред с получением эмпирических формул для их определения;

• определение механизма физико-химической активации минерала заполнителя и роли дисперсного кварцевого наполнителя в обеспечении активности песчаного цемента в процессе длительной выдержки его во влажных условиях среды;

• новая технология получения высокопрочного легкого бетона на основе преднапряженного зерна полистирола и песчаного цемента и асфальтобетона;

• результаты реализации способов интенсификации контакто-образования при использовании некондиционных заполнителей в цементных песчаных бетонах;

• классификация песчаных бетонов по группам в зависимости от технологических факторов жесткости цементно-песчаной смеси, способа уплотнения с определением класса бетона по прочности.

Научная новизна работы. Разработан механизм поливибрационного уплотнения прессованием с установлением оптимальных параметров интенсивности вибрирования жесткой цементно-песчаной смеси.

Предложена номограмма для расчета составов жесткой це-ментно-песчаной смеси с дисперсным кварцевым наполнителем в цементной матрице в зависимости от водотвердого отношения.

Определен оптимальный процент наполнения цементной матрицы кварцевыми микрочастицами для достижения высокой плотности и прочности песчаного бетона.

Построен график кривой микротвердости твердых фаз кварцевого зерна и цементного камня межзернового пространства с точ-' кой перехода кривой контактирующих фаз для определения толщины цементной пленки межзернового пространства.

Представлены эмпирические зависимости прочностных и де-формативных свойств поливибрационного песчаного бетона.

Составлена классификационная карта по классам бетона по прочности в зависимости от технологического фактора жесткости цементно-песчаной смеси.

Установлено влияние дисперсного кварцевого наполнителя в цементном вяжущем на коррозионный процесс цементного зерна во влажных условиях.

Разработан новый способ технологического поля термодинамического воздействия химических добавок на цементно-песчаную смесь для получения высокопрочного легкого асфальтобетона.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Предложены практические основы поливибрационного процесса уплотнения жесткой цементно-песчаной смеси на основе цементного вяжущего с наполнителем для получения мелкозернистого песчаного бетона высокой прочности и плотности:

• разработаны составы цементно-песчаной смеси с малым расходом воды и цемента с одновременным использованием естественных природных кварцевых песков различных модулей крупности;

• предложен способ определения толщины цементной пленки межзернового пространства в зависимости от прочности цементного бетона;

• разработаны способы физико-химической активации песчаных заполнителей: растворами электролитов, химическими добавками, последовательностью технологического цикла приготовления состава цементно-песчаной смеси;

• расширена сырьевая база местных материалов за счет использования некондиционных заполнителей из естественного мелкозер-

нистого кварцевого песка и продуктов переработки камня горных пород;

• обеспечена экономия вяжущих, транспортируемых материалов горных пород, трудозатрат;

• созданы предпосылки для утилизации и рационального использования различных продуктов производства в виде химических добавок и специальных растворов электролитов.

Исследования являются составной частью работ, выполненных:

1) на основе утвержденных Госстроем Туркменской ССР планов НИР за 1967-1980 гг.;

2) при оформлении научно-исследовательской части (2 тома) каталога местных каменных материалов и отходов промышленности Марийской АССР, Чувашской АССР, Кировской области для дорожного строительства по комплексной программе, утвержденной Минавтодором РСФСР в 1980, 1983 и 1985 гг.;

3) НИР МзрПИ "Исследование технологий получения и применения дорожно-строительных материалов в строительстве автомобильных дорог и мостовых переходов с использованием математического моделирования решения задач" (№3.14.041), код темы этапа 1.01.(06).02Д986 г.;

4) НИР хозрасчетного научного объединения СК "Марийскагропромпроект" "Исследование и внедрение технологии цементных бетонов на кварцевых песках и запыленных отходах дробления камня высокой прочности без обогащения с использованием отходов витаминного завода Марийской АССР с составлением рекомендаций, утвержденных СК "Марийскагропромпроект" и МарГТИ от 20.12.1988 г.

Автор приносит большую благодарность научному консультанту заслуженному деятелю науки и техники РФ, заслуженному строителю, академику РААСН, доктору технических наук, профессору В.И. Соломатову за ценные советы и предложения при выполнении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В настоящее время управление свойствами строительных композитов является одной из основных проблем в технологии строительных материалов, использующей некондиционные сырьевые заполнители. Рассматриваемая проблема может быть решена путем направленного формирования свойств материалов на основе подбора состава продуктов твердения и путем управления структурообразования (Ю.М.Бутт, В.В.Тимашев, М.М.Сычев, В.Д.Глуховский.О.П.Мчедлов-Петросян, П.А.Ребиндер, В.И.Соло-матов) на основе физико-химической механики и ее представлении о когерентности, дисперсности, гомогенности, оптимальной плотности.

Приведен аналитический обзор исследований зарубежных и отечественных ученых, начиная с 1861 года в области песчаных цементов и песчаных бетонов.

В первой главе рассмотрены вопросы технологических полей приготовления песчаных бетонов и их свойства.

Формирование свойств песчаных бетонов находится в функциональной зависимости от многих факторов технологического поля приготовления: вида и свойств поверхности заполнителя, самоорганизующихся систем как в структуре композита, так и на поверхности минеральных обломков макроструктуры химического и искусственного разрушений. Структурообразование вяжущих и материалов контактного твердения, согласно исследованиям В.Н.Вырового, О.П.Мчедлова-Петросяна, В.И.Соломатова, М.М.Сычева, В.Д.Глуховского, подчиняется общим законам самоорганизующихся систем.

Сохранение структурной целостности рассматриваемых систем дает основание сравнивать структуры объектов различной природы: вещество, технологическое поле, процесс самоорганизации с какой-то степенью симметричности образующихся структур (Л.А.Шейнич).

Вода как вещество - активный химический компонент по отношению к сухим составляющим композиционного материала -песчаного бетона за счет своей адсорбированной тонкой пленки на поверхности микро- и макрочастиц. Эта пленка вместе с ионами растворяемого цементного зерна образует пульсационно растущий в объеме сольватной оболочки цементный гель. Уплотнение этой оболочки имеет важное значение в упрочении как объемного,.так и контактного цементного камня оптимизационного строительного композита (И.НАхвердов, М.М.Сычев, М.И.Каблуков, А.Е.Шейкин).

На поверхности заполнителей следует выделить несколько механизмов связи воды и ионов растворенных веществ в зависимости от генетического формирования зерна заполнителя, состояния его поверхности и физико-химической совместимости с цементными гидросиликатами, алюминатами и ферритами кальция. Шероховатая поверхность, по сравнению с гладкой, увеличивает прочность сцепления цементного камня (ЦК) в 1,28 раза (Б.Г.Скрамтаев), а генетическая порода увеличивает прочность на растяжение на разрыв от 9 до 65% при расположении пород от базальта до известняка (И.М.Грушко).

Однако прочность зацепления составляет всего 20% от общей величины прочности сцепления (С.С.Гордон, И.М.Грушко, К.М.А1ехап-с1ег, Ю.Е.Корнилович) без учета фактора химического воздействия свежесколотых поверхностей (С.С.Гордон, И.М.Грушко). Гладкая поверхность кварцевого зерна имеет пленку окиси БЮН, переходящей далее в ортокремниевую кислоту Н25Ю4 за счет ионов НэО+ (гидроксо-нин ион), Н", ОН', появляющихся на поверхности кремнезема при диссоциации воды (А.Г.Ольгинский, Б.В.Ильин). Эти поверхности активны и желательны при структурообразовании ЦК. При нарушении связи БЮ-Б! происходит ионный обмен протона гидроксильной группы на катион растворенного вещества. При однозарядном катионе ионный обмен возможен с дополнительным образованием ковалентной связи (Р.Айлер, А.Г.Ольгинский, С.Х.Ярлушкина).

При неравномерности строения кристаллической решетки минерального образования (заполнителя): дислокации, вакансии, швы срастания кристаллов, точечные дефекты - происходит насыщение атомов решетки посредством донорно-акцепторного взаимодействия за счет обновленных катионов.

На минеральной поверхности ионы адсорбата могут выступать в качестве зародышевых центров образования минеральных "фаз, участвующих в формировании структуры зоны контакта (ЗК) вместе с частицами кварцевых и глинистых наполнителей. Дополнительные центры кристаллообразования создают осмотическое давление (В.И.Ба-бушкин), благоприятно воздействующее на контактообразование за счет обжатия заполнителя.

Процессы кристаллизации цементного геля в ЗК и на некотором расстоянии от нее не одинаковы в получении продуктов новообразований как по форме, так и по структуре. Связано это с кристаллической структурой заполнителя и ее реакционной способностью за счет-поверхностной энергии (адгезионной силы сцепления активных центров). Так, для кварцевого заполнителя она составляет оип=2613-10*3 Дж/м2, известняка - 0,ап=28О1О"3 Дж/м2 (А.Г.Ольгинский, С.Х.Ярлушкина). На

поверхности кварца рост кристаллических сростков начинается строго ориентированно с точечных контактов перпендикулярно к поверхности треугольных оснований тетраэдрической структуры кварца (С.Х.Яр-лушкина) в соответствии с минимальной межфазной поверхностной энергией.С ростом кристаллов новых фаз на поверхности кварца не прекращается взаимодействие двух этих фаз на уровне межмолекулярных сил, что и предопределяет различные плогности ЦК в ЗК. В ближнем к поверхности заполнителя слое ЗК в силу высокой плотности в нем ионов растворенных веществ заполнителя и цементного вяжущего образуются мелкие по размерам кристаллы, в более дальнем диффузном слое отмечается более увеличенное содержание воды с меньшей плотностью одноименных ионов и молекул первого слоя. Плотность же растворенной части ЗК вне этих слоев наименьшая, это и предопределило различные прочности ЦК и его микротвердости. Подтверждением сказанного явились исследования по микротвердости ЦК в зоне контакта, ширина которой зависит от реакционной способности заполнителя. Зерна наполнителя могут быть корродированы в поверхностных участках, и в них могут наблюдаться аномальные изменения оптических характеристик (С.Х.Ярлушкина, А.Г.Ольгинский).

Рост прочности ЦК, сформировавшегося в период коагуляционно-кристаллической структуры, сопровождается «сбросами» прочности, особенно при осевом растяжении и растяжении при изгибе. Это обусловлено возникновением собственных внутренних напряжений. К таким напряжениям относят: кристаллизационное давление растущих из жидкой фазы кристаллов; распад и перекристаллизацию мета-стабильных твердых фаз (эттрингита с ЗШ20 до 12НгО) (А.Е.Шейкин, Ф.М.Иванов, "Н.Г.Гинзбург, П.П.Будников); осмотическое давление в гелевых оболочках цементных зерен, раздвигающих цементные зерна, которые встречают препятствие со стороны жесткого кристаллического каркаса ЦК (А.Е.Шейкин, М.М.Сычев).

Прочность ЗК цементного камня межзернового пространства макроструктуры песчаного бетона оказывает влияние на прочность композиционного материала так же, как и его прочность сцепления с поверхностью заполнителя. В зависимости от их соотношения разрушение может произойти по объемному цементному камню, границе контактной зоны, заполнителю композиционного материала, если модуль упругости последнего ниже, чем модуль упругости цементного камня. Причем разрушение материала происходит в наиболее опасной точке, при достижении наибольших линейных деформаций развивающихся перпендикулярно усилию разрушения (локальное разрушение). Возникающие микротрещины этой зоны после преодоления мелкими

трещинами препятствий в виде зерен заполнителя бетона, мелких пор ЦК и включений с меньшей прочностью и модулем упругости сливаются в одну быстро растущую продольную трещину - теория максимальных линейных деформаций (А.Е.Шейкин, А.А.СеШЛ, Дж.Гордон, Я.Н.Френкель).

Напряжения разрушения могут быть более высокими, если при осевом сжатии бетона в его плоскостях, параллельных направлению внешней нагрузки, возникают вторичные поля напряжений (Е3>ЕЦК, Ишг'Мз^Это происходит в случае достижения цементной пленкой наименьшей оптимальной толщины межзернового пространства в процессе технологического поля механического воздействия на бетонную смесь (В.М.Тараканов, В.И.Соломатов, О.В.Кононова, Б.В.Гусев, И.Н.Ахвердов, Б.А.Мохов, А.Е.Десов, А.Е.Шейкин).

Исследованиями О.Я.Берга установлено, что разрушение бетона начинается с появления микротрещин в контактной зоне (граница раздела цементный камень-заполнитель) в параметрической точке IV, соответствующей а,на кривой изменения коэффициента поперечных деформаций бетона при осевом сжатии с ростом напряжений. При нарушении сплошности контакта цементный камень-заполнитель и достижении дифференциальным коэффициентом поперечных деформаций значения 0,5 (параметрическая точка Я/ при напряжении а2) полного разрушения композиционного материала может не наступить из-за развития только локальных разрушений, то есть микроразрушений. • Разрушение происходит при большем напряжении -ст3, которому соответствует напряжение, равное сумме напряжений предыдущего о2 и напряжения адоп =Япр-Кту, необходимого для преодоления сопротивления бетона до полного разрушения его на части. Чем ближе параметрическая точка Я/ к разрушающему напряжению Япр, тем выраженнее упруго-мгновенный характер процесса разрушения бетона (такой бетон относится к высокопрочным бетонам).

Для повышения качественной структуры композиционного материала в цемент вводят различные по химическим свойствам минеральные добавки-наполнители, что дает возможность формирования единого поля кристаллогидратных фаз с получением при вибропрессовании высокосимметричных макроструктур с меньшей степенью анизотропии свойств строительного материала. Высокая плотность цементного камня и макроструктуры композита контактного твердения достигается в соответствии с общими закономерностями самоорганизующихся систем.

Наполнители низкой активности, но высокой дисперсности >8=400м"/кг повышают гидратационную активность цемента, ориентируют избирательный состав новообразований в дефектных структу-

pax кварцевого зерна с момента появления жидкой фазы (В.Н.Юнг, В.В.Товаров, А.В.Волженский, Л.Н.Попов, И.Я.Кублинь, Б.Г.Скрам-таев, А.Е.Шейкин, Л.Б.Дзабиева, В.Дуда). Высокое содержание наполнителя предотвращает саморазрушение ЦК в более поздние сроки (А.В.Волженский) и резко сокращает контракционный процесс цементного геля (М.А.Шалимо).

Грубодисперсные наполнители высокой активности (шлаки, глиежи) раздельного помола (до 50% от массы цемента), сохраняя сильные кислотно-основные активные центры, способствуют повышению гидратации цементного зерна и достижению высокой плотности ЦК и макроструктуры композита. Подобный механизм испытывает разнофракционный состав песчаного бетона, плотность которого может достигнуть экстремального значения и при стандартном формовании подобного бетона.

Аналитический обзор современных исследований строительных композитов с использованием самоорганизующихся систем, к которым подводится энергия за счет физико-химических и технологйческих процессов, показал широкое и пристальное внимание ученых к привлечению грубо- и высокодисперсных наполнителей, различных по химическому и минеральному составам, к управлению процессами структурообразования и заданного состава продуктов твердения высокого качества с преобладанием их симметрии и низкой анизотропией их свойств (Ю.М.Бутг, В.В.Тимашев, М.М.Сычев, В.Д.Глуховской, О.П.Мчедлов-Петросян, П.А.Ребиндер, В.И.Соломатов, Г.Д.Дибров, А.В.Волженский, Ю.М.Баженов, А.Е.Шейкин, Н.В.Михайлов, Л.А.Шейнин, А.Г.Ольгинский, Л.Я.Гольдштейн, Б.В.Гусев, С.В.По-людова, И.М.Красный, М.Р.Стас, В.С.Рамачандран, K.Togawa, M.F.Pistill, T.S.Williams-Bradley, A.Bentur, T.Marute, S.Vokoyama).

Во второй главе раскрывается сущность виброуплотнения жесткой бетонной смеси (БС) водотвердого отношения 0,075...0,088, заключающаяся в разжижении цементного геля и перемещении зерен заполнителя для компактной их упаковки и сближения сольватирован-ных частиц цемента и микрочастиц наполнителя за оптимальное время механического воздействия. При дальнейшем воздействии может произойти расслоение объема БС из-за отсутствия пленочной влаги между зернами заполнителей, обусловливающими одну из форм связи по сцеплению частиц твердой фазы.

Высокочастотная обработка цементного геля активизирует, формирование цементного геля и ускоряет его индукционный период. Большая прочность наблюдается при меньшем значении (В/Ц). Чем выше плотность вяжущей пленки из цементного геля, зависящая от

технологического способа уплотнения, и меньше ее толщина в контактном пространстве (13...15 мкм), тем выше прочностные характеристики композиционного материала (И.Н.Ахвердов, П.Н.Баженов, С.Х.Ярлушкина, Ю.С.Малинин).

Для особо жестких бетонных смесей требуется применение вибрационного уплотнения в сочетании с пригрузом предельной величины, зависимой от формируемого столба БС (J.StorK), уменьшение которой способствует выравниванию частот колебаний БС и виброплощадки, первая из которых имеет в 2 раза меньшую частоту, чем виброплощадка. Основное назначение пригруза - удержание верхних слоев БС от завихрения и вовлечения их в колебательное движение. Савиновым O.A. н Лавринович Е.В. предлагается в процессе виброформования БС увеличивать энергию пригружения с изменением ее жесткости.

Эффект виброуплотнения БС определяется интенсивностью J при сочетании двух параметров А и f (А - амплитуда колебаний, мм; f -частота колебаний, Гц, определяемая через угловую частоту колебаний f=27i(ö рад/с). В качестве критерия вибровоздействия принимаются сочетания: Af - скорость колебаний (М.Балтрык); Af2 - ускорение (А.А.Афанасьев, Б.В.Гусев, В.Г.Зазимко); Af - мощность-резкость (Н.Ф.Руденко); а¥ - затраченная работа (П.Ф.Овчинников, Н.Н.Круглицкий, Н.В.Михайлов); А2Р - энергетические затраты (О.А.Савинов, Е.В.Лавринович, В.Н.Шмигальский). Значение ускорения однозначно характеризует процесс при симметричных и асимметричных (ударно-вибрационных) режимах колебаний (Б.В.Гусев, В.Г.Зазимко). И в "Рекомендациях по вибрационному формованию железобетонных изделий", выпущенных НИИЖБом, определяющими параметрами назначены ускорение Af2 и энергия АY.

Отрывное колебание БС и пригруза (Ю.Г.Мельник, Б.П.Кутько) требует определения величины пригруза, которое многими учеными предлагается от 40 до 200 г/см2. Особенно это важно при ударно-вибрационной обработке жестких БС (Е.В.Лавринович, Б.В.Гусев, В.Н.Шмигальский, С.А.Осмаков, Ф.Г.Брауде, Г.К.Чихладзе).

Продолжительность виброуплотнения определялась по времени стабилизации осадки поверхности БС, что соответствовало времени стабилизации динамических параметров системы виброплощадка-бетонная смесь-пригружение .Однако это время находится в прямой зависимости от жесткости БС и типа уплотняющих воздействий: гармоничных, ударных, ударно-вибрационных (А.Е.Десов, Е.А.Синева).

Для уплотнения жесткой цементно-песчаной смеси была использована вибрационная установка (названная автором поливибрационной установкой для получения мелкозернистого песчаного бетона высокой

прочности), в которой одним возбудителем создаются различные частоты и амплитуды колебаний БС за счет установки дополнительной прижимной пружины плиты-пуансона, действующей вертикально вниз.

Установка создает одну величину колебаний виброплощадки с металлической формой и. другую (меньшую) за счет действия на БС прижимной пружины определенной величины удельного давления (Рул=0,015МПа) (рис.1). Для исключения адгезионного сцепления БС к нижней поверхности пригруза-пуансона во время процесса отрыва последнего от БС между бетонной смесью и пригруз-пуансоном устанавливается пластина-регулятор структуры бетона. Она передает бетонной смеси создаваемые пригруз-пуансоном динамические волновые давления гармонического колебания и придает объемному образованию песчаного бетона с наполнителем вяжущего плотную, однородную микро-и макроструктуру, снижающую анизотропию свойств композиционною материала.

I -I И ¡У 2 -VI

Рис.1. Параметры колебаний вибростола и прижимной плиты-пуансона при Нуд=0,0)50 Мпа на бетонную смесь: I - А=0,54 мм £=60 Гц (колебание металлической формы с бэтонной смесью); И - А=1,45 мм, Г=60 Гц (вибростол в конечном периоде колебаний); Ш -»А=0,79 мм, Г-120 Гц (колебания пластины-пуансона в конечном периоде работы вибростола); IV - А-0,79 мм, Р=77 Гц (тоже в переходном периоде); V - А=0,79 мм, МО Гц (вибростол в начальном периоде колебаний); VI - А=0,54 мм, Р=60 Гц (колебание вибростола без Пагружения).

Формование песчаных бетонов на такой поливибрационной установке повышает прочностные свойства на 25-30% по сравнению со стандартной вибрацией с одноименным удельным давлением пригру-жения.

Выбор расчетной схемы для описания движения системы: '.виброплощадка-бетонная смесь-пригруз предлагается проводить с использованием связи напряжения о и деформации е бетонной смеси, в которой учитываются сопротивления трению БС о стенки формы-

о=Ее+7Еее|*"/2=сту+стп, (I)

где оу и стп - напряжения, обусловленные упругими и неупругими деформациями (гипотеза Е.С.Сорокина).Согласно работе И.И.Назарен-ко, расчетная схема корректируется критерием: отношением времени прохождения волны в столбе вибрируемой БС I и периодом колебаний Т (1=Ь/с), где Ь-высота столба смеси, с-скорость распространения колебаний). При I 2 Т расчет ведут по дискретной схеме, а если 1>Т, схему представляют с распределенными параметрами. Столб жесткой бетонной смеси можно представить как твердое тело (дискретная схема), но бетонную смесь необходимо представить как систему с распределенными параметрами. Поэтому расчет по определению величины при-гружения. (теоретические выкладки Б.П.Кутько и В.Н.Шмигальского) ведется по дискретной схеме с определением кинетической и потенциальной энергий через уравнение Лагранжа второго рода. После математических вычислений находится выражение амплитуд перемещений виброплощадки и пригруза, в которой знаменатель исследуется на максимум и минимум значений колебаний при переменной Дпр-давление массы пригруза. После приравнивания к нулю ее производной действительные корни находятся из выражения:

Дпр., ,/2>12+ >1(Ы,/2Ы2)2-^/Ы2> (2)

где Ы,, N3- комплексные числа, определяемые по предварительно разработанным таблицам.

Расчет оптимальной величины погружающего устройства ведут по следующей схеме:

1) определяется величина вибрационного воздействия ВВ6=А2а^;

2) по графику коэффициента внутреннего трения в зависимости от ВВ находится у-коэффицнент внутреннего трения;

3) находится скорость распространения колебаний в бетонной смеси С=0.35Гуа;

4) по таблицам <значения а„,,Ь„) и формулам К,.8 находятся значения N,,N¡,,N3;

5) находится величина Л^К^-М^ш2;

6) в зависимости от выбранного прифуза определяются Кпр и Мпр.

Удельное давление на бетонную смесь после вычислений составило 0,0131МПа.

В третьей главе рассматриваются вопросы технологии получения высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона, решающую роль в которой играют наполнители вяжущего и технологическое поле поливибрационного механического воздействия при уплотнении бетонной смеси с целью достижения равномерной структуры на микро- и макроуровнях композиционного материала. Для повышения плотности структуры был оптимизирован жесткий скелет песчаного бетона из природных кварцевых песков модулей крупности 2,3 и 1,0, в соотно-

шении 4,1:0,9, увеличивающем прочностные свойства композита более чем в 2 раза по отношению к песку с ,0, и в 1,21 раза к песчаному заполнителю с Мкр-2,3. Подобное соотношение сохраняется при введении кварцевого или иного по химическому составу наполнителя вяжущего. Наполнитель оказывает положительное влияние на структуру и свойства цементных систем (П.П.Будников, А.В.Волженский и Л.Н.Попоз, О.П.Мчедлов-Петросян, В.И.Соломатов, А.Г.Ольгинский, А.А.Редкозубое, М.Р.Стас, И.М.Красный). Это подтверждается исследованиями минерально-фазового состава и структурных особенностей модельных цементных систем методами рентгеноскопии, диференцн-ально-термического анализа, оптической микроскопии и технологическими анализами по степени гидратации основных минералов цементного зерна с кварцевыми наполнителями после ТВО.

Совместный помол цемента и квзрцевого песка способствует интенсификации гидролаза клинкерных минералов С38 и РС28, увеличивает наличие' значительного количества СаС03, подтверждающей явление карбонизации кальция (ширина гелевых каемок возрастает в 1,5-3 раза). Ощутимый эффект на кривых термограмм при температуре 860...900 С указывает на то, что у наполненного вяжущего идет заметное увеличение продуктов низкоосновных гидросиликатов с соотношением Са/Б! <1,5: СБН(1), ОБЩИ), С2АН3> С,АС8Н12, Са(ОН)2 и кварц (В.В.Тимашев, В.Н.Колбасов, С.Х.Ярлушкина, А.Г.Ольгинский, М.Р.Стас, Л.К.Доронин, .ЬК.Ьо!^, У.Людвиг).В поздние сроки это соотношение существенно снижается, что способствует освобождению ионов А13+ и БГ^, способных выполнять структурообразующую роль в системе Са0-5Ю2-Н20. В подобных системах А.Г.Ольгинский с помощью ИК-спектрального анализа наблюдал дополнительные образования гидроалюминатов кальция в присутствии алюмокислородных тетраэдров типа микроклина и каолинита в возрасте одних суток.

Прочность песчаного бетона на основе различных по химическому составу наполнителей из карбоната, керамзитовой пыли определяется взаимодействием жидкой фазы цементного камня и образованием в контактной зоне кристаллогидратов формы, отличающихся по своим свойствам от объемного ЦК. Количественный состав новообразований этой зоны во многом предопределяется активностью наполнителя и продолжительностью физико-химических процессов, влияющих на прочностные свойства композиционного материала.

На керамзитовых частичках пористого наполнителя, имеющих некоторую активность к жидкой фазе ЦК, образуются низкоосновные-СБН(1) гидросиликаты в меньшем объеме, чем на поверхности кварцевых зерен. Появление в составе новообразований гидроалюминатных и

гидроферритных силикатов кальция моносульфатной формы повышает прочность зоны контакта (ЗК) цементного камня за счет повышенной прочности сцепления гидросиликатов с поровой структурой поверхности наполнителя в силу увеличения плотности при замене иона А13+ более крупным ионом Ре3+ (У.51а11иска, В.Ва^озоуа). Однако прочность кристаллогидратов ниже, чем на кварцевой подложке, так как на глинистых материалах образуются вторичные карбонаты кальция и кварц, а также тонкодисперсные налеты токсонитов (Б.А.Мохов).

На поверхности карбонатных наполнителей за счет активных дальнодействующих центров-уступов спаенности, являющихся дефектом в структуре, происходит ориентированный рост кристаллов карбонатных соединений -СаСо3;Са(ОН)2;СаС03.6Н20 (неустойчивых) и гидрогранатов -С3А5хН6.2х, гидросиликатов кальция и преимущественно С8Н(1) и гидрокарбоалюминатов кальция, считающихся наиболее устойчивыми. Прочность сцепления новообразований в ЗК, как и у частичек керамзитовой пыли, выше, чем у поверхности кварцевого зерна, за счет их пористой структуры поверхности. Прочность же на сжатие ЦК в зоне контакта толщиной до 15мкм и более у кварцевой подложки будет больше, чем у известняковой, если судить по их микротвердости -936 и 540 МПа соответственно (С.Х.Ярлушкина). У объемного цементного камня прочность на сжатие составляет на кварцевой подложке 600-700МПа.

С зарождением кристаллогидратов ЦК на минеральных зернах заполнителя прочность обеспечивается тремя видами связи : ионной (химической), ионно-днпольной (физико-химической), вторичными ван-дер-ваапьсовыми или водородными (диполь-дипольными). Однако склеивающим структурным элементом кристаллогидратных пакетов ЦК считается межплоскостная жидкость (кристаллизационная). Ее потеря приводит к падению прочности бетона (Ю.И.Бенштейн, М.М.Сычев, Н.И.Безухов, В.Н.Пунагин, В.В.Капранов). Следовательно, для образования плотной структуры ЦК в объеме цементной пленки необходим оптимальный объем жидкой фазы в период первых часов твердения (А.Г.Холодный, О.П.Мчедлов-Петросян).

В технологии поливибрационного песчаного бетона (ППБ) была использована оптимизированная величина В/Ц=0,55-0,63, снижение которой приводило к пористой структуре (недоуплотнению), а при увеличении времени виброформования или пригружающем устройстве - к расслоению объема композиционного материала.

Оптимальная величина введенного наполнителя 0,8 от массы вяжущего (288 кг/м3) сыграла значительную роль в достижении прочностных свойств этого бетона (рис.2), так же как и его плотность, что

выразилось в слиянии тонких прослоек зон контакта, визуальное определение которых проводилось по микрофотографиям. Они были выполнены на МИМ-8 при увеличении в 400 раз.

Рис.2. Влияние содержания наполнителя цементного вяжущего на прочностные свойства поливибрационного песчаного бетона: 1,2-прочность после ТВО во влажном и сухом сочетаниях; 3,4-то же после 240 суток выдержки в комнатных условиях (1=20°С; \У=50-60%); 5,6-то же в нормальных условиях ({=20°С, №■=95-99%)

1:0 Щ5 ГИ "/.•£>* 1-'2 Щ5 1:3 цемент: микронстолнитем

Исследования микроснимков показали, что стандартная технология получения песчаных бетонов без наполнителя не обеспечивает той макроструктуры, которая отвечала бы высокой прочности композици-. онного материала. Структура ПБ без наполнителя имеет множество пор и капилляров диаметром 1,5 мм, каверн и пустот с прослойкой из ЦК межзернового пространства от I до 1,5 мм, незначительную прочность на сжатие 18...20 МПа.

Структура ППБ с В/Ц = 0,497...0,562 имеет плотную зерновую упаковку с межзерновым пространством 20-40 мкм, с меньшим числом равномерно распределенных сферических пор диаметром 0,2-0,05 мм. При содержании 100% наполнителя по отношению к вяжущему поры имеют еще меньший диаметр. Прочность такого бетона составила 77 МПа.

При увеличении наполнителя в бетоне до соотношения 1:1,5 увеличивается В/Ц отношение до 0,621, межзерновая прослойка Ц/К- до 100 мкм с равномерным расположением дискретных пор от 0,050,1 мм, прчность на сжатие бетона снижается до 60...63 МПа, а при увеличении соотношения до 1:3 прочность композиционного материала еще более снижается и доходит до 40...45 МПа (рис.2, кривая 2).

Структурная модель на михроуровне может быть представлена как элементарная ячейка рассматриваемого кристаллического образо-

вания непрерывной среды, определяемой рентгеновским методом исследования.

Результатом исследований структурных моделей «состав-технология-свойства» ППБ явилась разработанная номограмма по расчету количественного состава этого композиционного материала в зависимости от наполнения вяжущего кварцевыми микрочастицами. Кривая прочности ППБ в этой зависимости описана математическим уравнением вида:

Яь= а*х,а*е'ь\ (3)

где а - коэффициент кривой прочности, изменяющийся в зависимости от расхода кварцевого наполнителя цемента: при 1:0.1-1:1 . а=1000; при 1:1,5 ~ 1:3 а=1300; х, - расход наполнителя; х2 - водотвер-дое отношение, принимаемое соответственно кривой прочности 4 (рис.2) и по разработанной автором номограмме; Ь - коэффициент формы кривой - Ь=5 для ветви кривой подъема; Ь=6 - для ветви спуска: а - постоянная величина -0,1108.

Прочностные свойства ППБ находятся в прямой зависимости от плотности структурных образований на микро- и макроуровнях: на макроуровне - от плотности нежесткого каркаса зерен заполнителя, на микроуровне от плотности ЦК цементной пленки в межзерновом пространстве и ее толщины. Чем тоньше цементная пленка, тем выше сцепление ЦК с поверхностью заполнителя, влияющее на структурное состояние бетона, которое определяет его прочность и долговечность.

Прочность ЦК на разрыв на контакте кристаллогидратных образований определяется силами взаимодействия поверхностных ионов. По этой прочности определяют прочность сцепления ЦК с поверхностью заполнителя. В.В.Капранов вывел формулу для определения сцепления цементного камня на разрыв в виде:

Я и р = 1Е» ] * г0 ♦ {1,65 * [(Ув - Уг )/5н о ) ]+2гср }2, (4)

где E¡ - энергия взаимодействия между двумя ионами; £0 - электрическая постоянная (8,85* 10"12 Кл/В*м); г0 - расстояние между центрами ионов, расположенных на поверхности кристаллогидратных образований; Ув - объем воды затворения^г - объем воды, химически связанной с продуктами гидратации цементного зерна; 8Н „ - удельная поверхность кристаллогидратных образований; Х=1,65 - величина, получаемая по формуле И.Н.Ахвердова (В/Ц)/Кнг - водоцементное отношение цементного геля нормальной густоты (К„гСр=0,27). При В/Ц=0,45 значение. X составит 1,65.

При принятых значениях г0=1,2А; гср=1,38А; Еср=1,9; Ь=2,8А или 5,бА (одна молекула воды, что соответствует - В/Ц=0,3) N=1,1*1012 -число контактов между частицами кристаллогидратных образований при радиусе гср Величина Яцр может выразиться значением 8,5... 10,0 МПа. При Кор=11ср:Кв=0,1...0,06 прочность цементного камня составит =8,5:0,06= 140 МПа. При контактировании ионов, когда Ь=0 £(=1,0, прочность на осевое растяжение ^=32 МПа (Т.С.Ро^еге) или К,„ц =32 : 0,06= 533 МПа. Полученный результат согласуется с работа? ми Д..1оЬоп5оп, О.Яоу. Прочность кристаллообразования может составить 500...600 МПа.

Работами С.Х.Ярлушкиной, Е.Н.Ипполитова установлена зависимость кривой микротвердости ЦК вблизи границы раздела контактной зоны из цементного камня и поверхности кварцевого зерна. На основании распределения химических элементов в области цементного камня и А1, Са в области кристаллической решетки кварцевого заполнителя автором была построена непрерывная кривая микротвердости заполнителя и цементного камня с точкой пересечения границы контактирования со значением микротвердости Н=3701 МПа (рис.3), найденной согласно предложенному уравнению у(х)=ах+Ь со значениями а=-162,77, Ь=3701,5

Равное отношение микротвердости кварцевого заполнителя и микротвердости и прочности цементного камня: 14000:2000=7,0 и 3701.3:533=6,9 свидетельствуют о том, что возможно оправдать выбранный подход построения графика кривой микротвердости двух фаз и определения прочности цементного камня в контактной зоне.

На основании кривой микротвердости в табл.1 представлены значения микротвердости, прочности цементного камня и прочности бетона в зависимости от толщины цементной пленки в межзерновом пространстве структуры композиционного материала. Исходя из

зерно

Что И000

иементиьпг камень

\ иеоо

А 12000

4000 хоо

1000

аоо

1600

{Ш

аоо

то

МО

т

Ш

гоо

то во за т т гоо I. мхм

сис.З. Построение кривой микротвердости по глубине контактной зоны цементного камня и кварцевого заполнителя после тепловлажной обработки и 28 суток хранения в нормальных условиях

прочности поливибрационного песчаного бетона в возрасте 28 суток после ТВО, равной 80...110 МПа, толщина цементной пленки составит 8...15 мкм.

Таблица 1

Зависимость прочностных свойств бетона от микротвердости цементного камня цементной пленки межзернового пространства

Прочностные свойства Физико-механические показатели на расстоянии от поверхности заполнителя 1, мкм

0.001 0.01 0.1 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Ни 3701 3698 3683 3630 28X0 1600 1260 1150 1080 970 900 850 800

ки, 530 528 526 5.19 411 229 179 164 154 139 129 121 114

Яь 245 244 243 240 190 106 83 76 71 64 60 56 53

На структурирующую прочность зоны контакта в композиционных материалах влияет генезисная основа горных пород, выступающих в качестве заполнителя. Это связано с разрывом менее прочных связей кислорода с кислородообразующими атомами минералов К, Ыа, А1, Бе при их наибольшем координационном значении. Разрыв этих связей обусловливает природу адсорбционных и хемосорбционных и каталитических свойств минеральной поверхности заполнителей (А.Г.Олыинский).

Формирование бетонов способом поливибрации на различных по кристаллохимическому строению минеральных заполнителях показало (рис.4), что указанные выше слабые химические связи в минералах оказывали влияние на структурообразование кристаллогидратов ЗК при равных расходах цементного вяжущего. Анализ результатов исследований показал, что чем выше радиус зерна заполнителя (меньшая объемная пористость), тем меньше расход наполнителя в вяжущем (рис.5).

1=1 Щ5 Ц'МК

а? 4.8 |

4.0?

3.2 | 2.4 | 1.6 а

I 0.6 1

о

Рис.4. Влияние породы заполнителя и удельного давления поливибрирования на характер изменения прочности песчаного бетона в зависимости от расхода заполнителя: 1,2,3 - на барханном полиминералыюм каракумском песке (Мкр=0,36) при Рул=0,0006; 0,0036; 0,0150 МПа;

4,5,6, - то же на кварцевом песке (М«р=2,3:1,0=4,1:0.9); 7 - на отходах камнедроблсния (серый гранит), Мгр=3,7, Рул=0,0150 МПа. 8-на барханном карбонатном песке Прикаспия (Мкр=0,5...0,6), Р!Д=0,150 Мпа

. и-н ._

Ш-——— —----.

------- .

--г_-------

0 } 6 $ 12 13 14 21 24 27 ¿0 .

Размер зерно эопоттпелр.т

Рис.5. Величина наполнения вяжущего в зависимости от зерна заполнителя бетона: 1а - кривая по опытным данным; 16 - продолжение предполагаемой кривой

Кварцевый наполнитель не только оказывает положительное влияние на структуру и свойства цементных систем при проявлении взаимного влияния кристаллохимических свойств минералов заполни-

ли

V

\ 1а- ч

— 15 --- — —

3 6 $ 12 13 1,3 21 2к 27 Л)

теля, но и обеспечивает такой уровень активности цементного вяжущего, который необходим дня использования его в строительных работах.

Цемент с наполнителем одной и той же 5=400...450 м2/кг хранился в среде с 1=20°С и \У=96% в течение 1080 суток. За это время выдержки насыпное вяжущее обрело рыхлое состояние, верхний слой представляет собой покрытие из блочных образований, шириной до 4мм; второй - комкующий слой, глубиной, равной более половины высоты опытного слоя, и третий слой находился в рыхло насыпном состоянии. Все три слоя легко разрушались от межпальцевого усилия. Медленная гидратация цементного зерна в исследуемой системе проходит из-за точечных контактных связей частичек, цемеиг+цсмент, це-мент+кварц, кварц+кварц, гидратационные площади в которых растут медленно в первых связях, очень медленно во вторых и исключаются в третьих контактных точках. Другим сдерживающим фактором коррозии цементного зерна считается экранирование кварцевыми частичками обводнения цементных зерен и сближению их центров для образования цементного камня в виде крупных глыбоподобных форм.

Оптимизационная прочность песчаных композитов на прогидра-тированных вяжущих в зависимости от содержания наполнителя и сроков коррозии цементного зерна находится при соотношении це-мент:наполнитель как 1:0,8, то есть это оптимальное соотношение сохранилось (см. рис.2).

Скорость коррозии цементного зерна наполненного цементного вяжущего в условиях высокой влажности можно определить по величине снижения прочностных свойств поливибрационного песчаного бетона, заложенного на этих корродированных вяжущих, по формуле вида

у5(х)=а 4-Ь* 1п(х+с)+х<1, (5)

где а=235,3; Ь=-34,20; 0=173,45, (1=0,016.

Песчаный бетон оптимального состава с использованием в нем корродированного цементного вяжущего даже при 1080-суточной выдержке имел прочностные свойства, позволяющие использовать вяжущее в строительстве. Объем порового пространства такого бетона остается низким, а по условно-замкнутым - наибольшим, что качественно должно сказаться на долговечности такого композита и особенно на морозостойкости.

Общая, межзерновая и открытая пористости повышаются с увеличением корродированных цементных зерен, выступающих уже в качестве заполнителей в составе песчаного бетона (табл.2).

Таблица 2

Характеристики поровой структуры песчаных бетонов

| Вид | бетона Выдержка вяжущего во влажной среде Характеристики поровой структуры Прочностные свойства, МПа Авторы

общая (истинная) открытые условно замкнутые межзерновые при раскалывании при сжатии

кзв 0 16,8 15,3 0,2-2,8 - - 3,59-4,26 - Шейнин

мчг. 0 20,4 17,2 2,1-4,2 - 5,94-5,67 - Шейнин

11111, 0 11,9 3,57 6,83 2,15 - 90 Краснов

(11II) 2-10 16,57 4,97 4,28 7,35 • 40,0 Краснов

П1Ш 1080 18,01 6,84 4,37 6.80 - 22,0 Краснов

Результаты экспериментов по определению состава ППБ были подтверждены исследованиями матричной системы: цемента с наполнителями и воды затворения в песчаном бетоне при использовании способа уплотнения бетонной смеси моделью полинома второй степени следующего вида для композиционного плана на кубе типа В3:

Ь!

где у - параметр оптимизации; — переменные параметры; ао, а,-коэффициенты модели; К-число переменных факторов.

К числу переменных факторов были отнесены расход цемента с наполнителем при жестко фиксированной величине цемента 306 кг/м3 с шагом расхода 20% от нулевого уровня -Х|; водоцементного отношения -Х2; времени уплотнения бетонной

смеси -Хз при одном и том

же режиме формования БС.

Для каждой серии опытных образцоз были проведены различные технологические поля механического воздействия для уплотнения бетонной смеси: от естественной укладки (гравитационной) до поливибрационной.

Результаты этих исследований показали, что наилучшие прочностные свойства 11ь=75...85 МПа имеют песчаные бетоны жесткой консистенции при поливибрационном режиме уплотнения, при времени его воздействия 160...175 с, Руд=0,0150 МПа, при не закрепленной к вибростолу форме с бетоном.

Эти результаты представлены графиками кривых прочности серий бетонов в зависимости от способа уплотнения (рис.6).

Формование песчаных бетонных смесей проводили при следующих параметрах вибрационного воздействия вибросистемы: вибростола А= 1,45мм, Г=60 Гц; формы с бетоном А=0,54мм, 1= 60Гц;шшты -пуансона прижимной пружины А=0.71мм, Г=60Гц. При достижении бетонной смесью упругих свойств вибрационный режим изменяется: увеличивается частота плиты-пуансона до Г=120Гц.

у: холи О; 0; О

iBOOjL 2200g' 2)OOS 200 Og 1900« 1600S

Серни бетонов

Рис.6. Изменение прочности песчаного бетона от способа уплотнения бетонной смеси: I - пластичной; И - непластичной, III - полужесткой; IV - жесткой; V - очень жесткой 1-в соответствии с кодами -1,-1,-1; 2-в соответствии +1+1+1; 3-то же +0; ±0; +0;4-изменение средней плотности песчаного бетона, кг/м'

Анализ межзерновых структур шести серий песчаных бетонов по микрофотографиям и кодам -1,±0,+ 1 показывал , что наибольшая плотность была достигнута у бетонов VI и VII серий соответствующих +1 и ±0 кодов мелкозернистой структуры, при плотности композиционных материалов не менее уср=2300кг/м\

В создании структурной прочности цементного бетона рассматриваются, по В.И.Соломатову, два технологических этапа. Первый этап-это объединение частиц дисперсной фазы в структурные агрегаты-кластеры за счет снижения своей избыточной энергии, самопроизвольно сокращающей межфазную поверхность в системе цементное зерно-вода-заполнитепь. Сумма энергии частиц может быть вычислена следующим выражением (В.И.Соломатов, В.В.Бредихин):

V=VB+VR+VB+Vn-, (7)

где Ув-потенциальная энергия для взаимодействующих частиц, получаемая интегрированием сил Ван-дер-Ваальса; Ук-взаимодействие двух двойных электрических слоев; УБ-бороновское отталкивание (электронное отталкивание при приближении частиц);Уп-влияние расклинивающего давления, по В.П.Дерягину.

Ко второму этапу относится внешнее механическое давление, в силу которого происходит упорядочение частиц в КМ до удельного объема структурной единицы модели кластера нижнего масштабного уровня К-1 за счет изменения h-расстояния между молекулами, а-следовательно, и между твердыми дисперсными частицами в вяжущем вплоть до дискретных блоков, размером K-N конечного объема V£-системы. Рост давления обжатия системы с одновременным ее вибри-

рованием приводит к плотной упаковке матричной системы и зерен заполнителя. Модели взаимодействия двух твердых частиц наполнителя через граничные слои матрицы схематически представлены на рис.7.

а) ; " (?) Ь)

Рис.7. Модели взаимодействия дзух частиц наполнителя в матричной системе, а) в рыхлосвязанном; б) в прессованном; в) вибропрессовзнном; г) поливибропрессо-шном состояниях (Ьс-лроиицаемыс оболочки ю цементной пленки; 6-расстоянис дальнодействия частиц наполнителя; й-диаметр наполнителя; Д - общий диаметр частиц со сферой из цементной пленки; Ь^-толщина адсорбционного слоя двухслойной сферы)

Для перемещения более мелких частиц твердой фазы в матричной системе необходимо увеличивать частоту колебаний до <= 120Гц, что позволяет не только снизить толщину сферы из цементной пленки частицы при обдире во время колебаний, но и сблизить их до минимума с разрушением сферы, а з межзерновом пространстве заполнителя уменьшить подобное расстояние до 8... 15 мкм или на одну величину диаметра кварцевого наполнителя с цементной пленкой. Последняя способствует понижению процесса трения между зернами кварцевого заполнителя, повышая плотность упаковки их в единице объема КМ (рис.8)

В четвертой главе приведены прочностные свойства цементных бетонов в зависимости от технологического поля приготовления и от свойства их ингридиентов, которые были представлены эмпирическими формулами Н.Боломея, Н.М.Беляева, И.А.Рыбьева, К.А.Серова, С.В.Шестоперова, Фере-Шейкина. На основе анализа научных работ, посвященных исследованиям мелкозернистых песчаных бетонов, составлена их классификация по группам в зависимости от прочности и жесткости (А.В.Волженский, В.М.Тараканов, Б.А.Мохов, ,Н А.Кры-жановская, Г.Д.Дибров, А.М.Краснов, Н.М.Красный, С.А.Подмазова, К.И.Львович, В.Н.Лемехов, П.А.Сумин, В.А.Яртрубинский, В.Н.Кузин, А.М.Шейнин, К.В.Михайлов, В.Р.Рождественский, А.М.Питерский, Л.И.Бабкин, В.И.Соломатов, В.И.Наназашвили и др.).

Рис. 8. Многоуровневая упаковка зерен заполнителя в песчаном бетоне:

1-уровень К-1 - шестиугольная матрица с наполнителем внутри 2-го уровня:

2-уровень К-2 - межчастичное взаимодействие зерен размером с!=0,05...0.08мм с шестиугольным их расположением;

3-уровень К-3 - крупные зерна кварцевого заполнителя шестиугольного расположения; Увеличение х400.

Таблица 3

Основные прочностные характеристики мелкозернистых бетонов в зависимости от технологических факторов

Группа Ж. с Марка бетона. МИа Класс бсгона МПа К „р. МПа МПа lin * 10"3 Кпп—Rnj/ R, Kop-RV R. K5=R.2!/ м„

1 5 10-20 7.5-15 8-16 0.9-I.X 12.5-18 0,8 0,09 0,06

II 35 25-35 20-25 20-30 2.2-3.5 19-21,5 0,8-0,85 0,088-0,1 0,09-0,11

Ш 60 40-55 30-40 35-45 4.0-5.5 23.0-25,0 0,82-0,88 0,1-0,1 0,12-0,14

IV 120 60-,so 45-60 55-75 6.0-8.0 30.0-35,7 0,92-0,93 0,1-0,1 0,15-0,18

V' 180 80-100 70-40 65-80 8-10 37-42 0,80-0,83 0,08-0,09 0,23-0,29

сверх прочные >220 120-150 100-135 100-120 8.5-13,0 45-50 0,80-0,83 0,07-0,087 0,19-0,25

Песчаный бетон - капиллярно-пористое тело. Заполнение порово-го пространства водой приводит к снижению прочности бетона. Движение воды подчиняется законам тенло.массоперсноса и гидродинамики вязкого молекулярного или дпффучного течения в ламинарном режиме при радиусе пор 1 (У1 - 10' см и 3 - 8% пористости и более.

Механизм снижения прочности бетона связан с ростом молекул кислорода и воды вокруг катиона Са2+ в сфере координационной связи и в межплоскостном контакте кристаллизационных новообразований гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов кальция. С увеличением таких связей в системе О - Са - О прочность бетона снижается согласно формуле Полинга: Е=2е/К, где е - электрический заряд, К -координационное число катионов.

Для перевода от прочности влажного ППБ к бетону в сухом состоянии представлена эмпирическая формула вида:

= /[1.6/(П + МН)в_ах], (8)

где и Ль - прочность ППБ в сухом и влажном состоянии; П - открытая пористость бетона; МЫ - величина кварцевого наполнителя; Б - показатель степени при МНЮ, равный 0,5; а - показатель степени (а=0,05); х - содержание наполнителя, которое соответствует значению МН!

На прочностные свойства песчаных бетонов, полученных из нежестких бетонных смесей, оказывает влияние не только удельное давление пригружающего устройства, но и повторное вибрационное воздействие. Кроме того, чем выше удельное давление пригружающего устройства, тем больше прочность бетона и срок повторного вибромеханического воздействия при введении в состав бетона 10% раствора ортофосфорной кислоты (не менее чем в 3 раза).

Водопроницаемость песчаного бетона определяется по коэффициенту водопроницаемости: К=(Ь*У)/(5*1*Др), где V - объем жидкости, протекающий через тело, Ь - толщина тела, Б - площадь тела, I -время фильтрации; Др - перепад давления.

Коэффициент К зависит от технологического поля приготовления, микро - и макроструктур бетона, кальматирующих веществ (кальциевых солей воды и глинистых частиц и свойств флюидов). Коэффициент водопроницаемости ППБ более чем на порядок ниже в сравнении со стандартным песчаным бетоном и равен К=5,34* 10~6.

В пятой главе рассматриваются вопросы изменения прочностных свойств ППБ в зависимости от эксплуатационных воздействий воды, температуры, напряжений.

К разрушающему бетон признаку воздействия воды следует отнести систематическое переменное его воздействие.

Анализ изменения прочности ППБ после каждых 30 циклических воздействий воды (этапы) по режиму: 4ч водопоглощения и 4 часа высушивания при Ю0°С - установил повышение прочности за счет гидратации вяжущего - от 18,7% на первом до 1% на пятом этапе, что со-

ответствует 150 циклам (Rb=115 МПа от начального значения Rb=80 МПа). Снижение прочности Г1ПБ связано с дискретным разрушением сцепления цементного камня с поверхностью заполнителя за счет продуктов коррозии гидросиликатов, алюминатов, ферритов, эт-тренгита кальция, увеличения количества пор и третий. Происходит вытеснение гипса и кальцита. Контактная зона ЦК разрыхляется, микротвердость снижается, наступает стадия падения прочности, предшествующая разрушению.

По такой же кинетике изменяется прочность ППБ на мраморном заполнителе до оптимальной Rb =62 МПа, соответствующей 125 циклам.

Песчаный бетон, отформованный прессованием и имеющий в своей структуре увеличенный объем макропор, достиг оптимальной прочности при 40-цикловом воздействии воды, (Rb=28 МПа), что составило увеличение прочности только на 10% от контрольной.

Исследования морозостойкости бетона проводились многими учеными, и почти все они пришли к единому мнению: морозостойкость бетона зависит от его порового пространства, частично насыщаемого водой и льдом при отрицательной температуре. Поры, заполненные паровоздушной смесью, называют «резервными»: они являются основой морозостойкости бетона. Г.И.Горчаков считает, что морозостойкость бетона будет гарантированной, если численный объем контрационных (резервных) пор будет соответствовать 1/3 объема капиллярной пористости.

Морозостойкость ППБ, определенная по ГОСТ 10060-87, составила не менее 700 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Процесс определения Мр, длителен. Поэтому рядом ученых предлагается проводить определение морозостойкости другим методом (Ю.М.Баженов, Г.И.Горчаков, В.П.Сизов). Так, методом ускоренного прогнозирования Мр5 В.П.Сизова, по номограмме и выведенненной им формуле, морозостойкость ППБ была определена в пределах 500 - 600 циклов. Морозостойкость, определенная по величине макропористости (пора размером >0.1 мкм), согласно методу Ю.М.Баженова и Г.И.Горчакова, также составила не менее 700 циклов (F 400), что выше нормативных значений по СНиП 2.03.01-84. Большая величина морозостойкости (F 800) была получена у бетонов класса прочности В110 — 135 (В.Н.Лемехов, А.М.Кадилов, В.И.Гаценко).

Модуль упругости бетона является одной йз важных характеристик строительного материала в расчете конструктивных элементов при воздействии внешней механической нагрузки. Исследования этой характеристики осуществлялись в сравнении с другими строительными материалами (табл. 4).

Таблица 4

Начальные модули упругости беюнов в зависимости от класса бетона по прочности

Характеристика бетона Класс бе-гона по прочности при сжатии В МПа

12,5 15 20 22,5 25 30 35 40 45

Марка бетона, Р.л 15 20 25 30 35 40 45 55 60

Кпр.СниП 2 03.01-81 9,7 11,2. 15,3 17,1 18,9 22,4 26 29,6 32,6

Кпр оиытныи- 9,0 11,1 - 17,0 19,0 24,3 39,1 46,0 -

«1о мелкозернистые СниИ 2.03.01.-84 - 17 20 - 21,5 23 24 24,5

Ео,,тяжелые, СнйП 2 03.01.-84 - 20 24 - 27 29 31 32.5 -

Ко мелкозерн .опытные 12 17,5 - - '22 25 30 34,5 -

Но, но формуле (11) 14 16,9 20,5 - - 26,0 28,5 30,2 -

Для определения начального модуля упругости предлагались различные эмпирические формулы (К.И.Львович, А.М.Людковский, О.П.Квирикадзе, Н.В.Свиридов).

Со временем прочность цементного бетона растет. Следовательно, и начальный модуль упругости Ео также имеет тенденцию к повышению с некоторым затуханием во времени.

У ППБ тенденция затухания Е0 отмечается в возрасте 120... 150 суток и в зависимости от времени выдержки бетона Е0 может быть определен по формуле:

E0(X) = a + b-ln(x+c) + x-d, (9)

где а=-36,632; b=20,923; с=5,572; d=-0,155.

В зависимости от характеристик бетона уср и Rb ППБ автор предлагает эмпирическую формулу определения Е0:

Е0 = и-Гср-^Rg , (10)

где уср - средняя плотность ППБ; Rb - класс бетона по прочности.

Полученную опытную кривую начального модуля упругости в зависимости от прочности ППБ можно описать математической формулой вида:

Е0 =Уб(х) = ао +а1 - х + а2 х2 +а3 -х3, (11)

где ао= 1,834; а,= 1,251; а2=-0,018; а3=0,0011.

Полная усадка поливибрационного бетона сводится к усадке цементного камня, так как заполнителем композита является твердое кристаллическое кварцевое вещество, не подвергающееся- водопогло-щению.

Усадка ЦК при сушке определяется усадкой тоберморитовогО геля за счет удаления адсорбционно-связанной и межплоскостной влаги. Она обратима от действия капиллярных сил и зависит от многих факторов: 1-вида вяжущего и его минералогического состава; 2-тонкости

помола цемента; 3-условий твердения; 4-ускорякнцих гидратацию химических добавок; 5-водоцементного отношения (рост объема тобер-моритового геля); 6-параметров окружающей среды (\У0,Т°С); 7-модуля поверхности опытных образцов-^Б/У).

К?

■А Г4 4

/ ■ Г г

и - "Л -А- 100 г -1—

т ^— Ж V /Л в

3 2

£ 1

I 0

•Л ~ '

Г- -г

? -3

v. -4

о

-✓Ч-1-1-1-!-1-!-1- -Ч~7 [ |

-4- Г-Н" "1 /' | I

Ь. 1==^ 1

—К Г* * I

I I 1

ю го ¿о

«■о и со ;<? м ¡а т но 1га оо на

Рис.9. Относительные деформации усадки поливибрационного песчаного бетона: I -твердение в среде ф=85%, Т=20°С; 2-то же пропаренного в среде (?=85%, Т=20°С, 3-то же через г=70 суток выдержки и после подвергнутой температурной обработки Т= 100, 150, 300°С; 4-то же пропаренного при температуре Т=100°С; 5-то же в условиях выдержки (р=50%, Т=20°С; 6-то же в водных условиях ф=100%; Т=20°С

На рис.9 представлены графики кривых усадок опытных образцов ППБ, развитие деформаций которых достаточно достоверно отвечало влиянию указанных выше факторов. Величина усадочной деформации ППБ при нормальных климатических данных составила еу=0,120 мм/м. ■Малая ее величина еу в сравнении с другими строительными материалами соответствует структуре композита, описанной выше.

Увеличение вяжущего в составе бетона приводит к росту еу за счет увеличения порового пространства и содержания тоберморитово-го геля в цементном камне, а увеличение объема заполнителя - к снижению ЕУ за счет увеличения зоны контакта ЦК с поверхностью заполнителя, которая обладает в ППБ более высокой плотностью в тонком слое закристаллизованной цементной пленки с меньшим содержанием тоберморитового геля.

Деформации'ползучести цементного бетона обусловливают долговечность бетонных конструкций. Наиболее приемлемой гипотезой физической природы ползучести, высказанной А.Е.Шейкиным, З.Н.Цилосани, Гансеном, является течение тоберморитового геля меж-

ду сростками кристаллогидратов, следствием которого является появление и развитие микротрещин при нагрузках более И® (А.В.Сатал-кин, Г.Рюш, Глюклих, О.Я.Берг). Это же высказывает С.Н.Журков, с позиций разрыва коагуляционных контактов под действием тепловых флуктуации и напряжений, энергия связи в которых существенно ниже, чем в кристаллических контактах.

На деформации ползучести и их характер роста во времени, которые определялись в соответствии с ГОСТ25544-81, влияют такие факторы, как уровень начальных напряжений а/Кпр', параметры окружающей среды, определяющие скорость массообмена влажного бетона; усадочные напряжения.

Исследования автора подтвердили рабочую гипотезу А.Е.Шей-кина о физической природе ползучести цементного бетона. ППБ в возрасте 28 суток выдержки в НУ после ТВО, загруженный усилием статической нагрузки с напряжением 0,2; 0,4; 0,5 Кпр, показал деформации ползучести при сроках наблюдения 100 и 240 суток соответственно:

Е^=0,115; 0,176; 0,346 мм/м, Е^., =0,134; 0,225; 0,370 мм/м. В возрасте 660 суток ППБ второй серии (0,4Л1ф) имел деформацию ползучести 0,310 мм/м.

В сравнении с другими песчаными бетонами с наполнителями (К.ИЛьвович, В.А.Яструбинский) при идентичных напряжениях ППБ показал более чем в 5 раз меньшую деформацию ползучести и более чем в 9 раз меньшую меру ползучести (табл.5).

Таблица 5

Деформации ползучести на мелкозернистом песке

Состав бетона, кг/м3 Срок набл.,(, сут МЙа <т/К„р Мера ползучести,С, см2/кг Еполх мм/м Автор

Ц мн В В/Ц

306 288 170 0,555 240 45 0,2 1,49 0,1340

260 90 190 0,73 240 19,4 0,25 14,70 0,713 К.И.Львович

435 145 327 0,75 240 30,7 0,25 15,0 11,513 -

414 - 180 0,40 240 43,8 0,20 8,48 - на щебне Н.И.Уацкий

Достоверность полученных мер ползучести проверяется эмпирическими формулами Европейского комитета по бетону и Е.Н.Щербакова, с введением в них коэффициентов М„, учитывающих влияние кварцевого наполнителя на прочностные свойства и расход

цемента. Тогда формулы Европейского комитета по бетону и

*

Е.Н.Щербакова примут следующие выражения при М„=1,51 и Мл =4,0:

с^о,^®.,^ (]2)

Д+0,33- м • ц в+о$ ц

С,5(/) = 16-—; С 5 = !6---—г - 4--(13)

Мера ползучести Ск6(0 по этим формулам соответственно будет равна 1,406 и 1,470 при полученном опытном значении Скб сР0)=1,46 см2/кг, что составляет ошибку около 1,0%.

Малые значения полученных при исследовании мер ползучести по сравнению с другими цементными бетонами - это результат высокой прочности микро-макроструктур ППБ, достигнутой наполнением цемента, и повышенной плотности композита, достигнутой поливибрацией.

Температуростойкость ППБ зависит от влажного состояния микро-макроструктур материала, которая определяется потенциальной энергией связи между кристаллическим скелетом бетона и заполняющей его водой. При испарении влаги давление пара в капиллярах (г=10""м) может достигнуть более 20 МПа, а растягивающие напряжения до 16,2 МПа (В.В.Жуков), скорость фильтрации пара на два порядка выше скорости переноса тепла теплопроводностью бетона. При неравномерном распределении по размерам радиуса пор происходит неравномерное распределение температуры. В связи с этим возникают сжимающие напряжения, которые могут достичь 0,4...0,7 от прочности бетона при сжатии.

Цементный бетон имеет критическую влажность - сорбционную

выше которой при градиенте температур А1 выше 100°С может произойти разрушение с отколом кусков бетона в виде линз (В.В.Жуков). Причем разрушение бетона при высокой температуре (>200°С) происходит с четырех сторон строительной конструкции, начиная с ребра бетонного элемента, и зависит от двух факторов: градиента температур и давления.

Проведенными ранее исследованиями было выяснено, что наибольшая стойкость первому нестационарному нагреву проявляется у цементных бетонов с наполнителем в вяжущем. Однако с ростом температур до 490...550°С происходят структурные изменения гидратных новообразований цементного камня (связанные с изменением содержания влаги в кристаллитах), которые приводят к полному разрушению обычного цементного композита.

Температуростойкость ППБ при кратковременном нагреве в интервале температур 100...300°С не только сохраняется, но и увеличивает свою прочность за счет значительного содержания аморфного кварцевого наполнителя, который может держать даже при температуре 400°С до 50% гидроксильных групп, являющихся активными центрами для дальнейших гидратации цементного зерна. В.В.Жуков в своих исследованиях показал, что, регулируя видом наполнителя, можно получить различные значения температурных деформаций и воздействовать на стойкость бетона при нагреве. Чем больше наполнителей в вяжущем, тем ниже коэффициент температурных деформаций цементного камня - а5,*108*1/°С (у бетона аб1*10+8/°С=17,0, а песчаного раствора состава 1:3 - 12,5)..

Скорость подъема температуры при первом нагреве в -интервале температур 100...400°С оказывает влияние на развитие микротрещин и особенно при влажности бетона \*/ь>\Ус (сорбционной) и его неоднородной структуре.

Поэтому желательно при использовании цементного бетона в высокотемпературных средах его предварительно высушить до \УС при 100°С или выдержать в нормальных условиях в течение 14 суток.

Рис.10. Влияние возраста бетона на температуростойкость при первом нагреве: 1 - ПБ после ТВО суточной выдержки 1=20°С, ад/в=65%, В25; 2 - то же В40, 3 - то же 28 сут. выдержки, В45; 4 - то же 120 сут. выдержки, В60; 5 - кривая экстремальных величин прочности; 6 - ие-ментно-песчаный раствор состава 1:3 28 суток выдержки (А.В.Волженский и Л.Н.Попов); 7 - то же на диоритовом заполнителе (В.В.Жуков), 8 - тяжелый бетон на диоритовом заполнителе (В.В.Жуков)

ППБ с высоким содержанием кварцевого наполнителя (1:0,8) и однородной структурой на микро-и макроуровнях с относительной влажностью, меньшей Wc, выдержкой 120 сут. в комнатных условиях, показал экстремальную температуру перрого нагрева 450°С. Проч-

ность песчаного бетона при сжатии, после охлаждения до комнатной температуры составила 175 МПа, а после выдержки его в комнатных условиях в течение 7... 10 сут. снизилась на 25...30% (рис. 10) за счет увеличения влажности в бетоне до Wc.

В шестой главе рассматриваются результаты исследований легких строительных материалов на органических и неорганических вяжущих поливибрационного уплотнения, организация структуры песчаного бетона на отходах камнедробления и на основе новой технологии получения материала из преднапряженного полистирольного заполнителя.

Для получения поливибрационного легкого песчаного бетона на пористых заполнителях были использованы портландцемент М400, керамзитовый песок насыпной плотностью у=700..750 кг/м3 с межзерновой пористостью 31,8%, водопоглощеннем 14% и прочностью в цилиндре 4,7МПа. Объемная концентрация песка <р=0,37..0,39. При расходе цементного вяжущего (289 кг/м3) и наполнителя при соотношении 1.0,8 с S=450 м2/кг были получены следующие физико-механические характеристики: Rb=40 МПа, Е0=2000 МПа, уср=1660 кг/м3, что в два раза выше прочности на сжатие при одной и той же плотности керам-зитобетона по СНиП 2.03.01-84.

Песчаный бетон на основе отходов камнедробления высокой прочности при соотношении его с кварцевым песком 3:1 и расходе цементного вяжущего 400 кг/м3 имеет прочность при сжатии 57,5 МПа, растяжение при изгибе 6,17 МПа, уср=2269 кг/м3 и время поливибрации 50 с.

Использование в этой технологии химических добавок в виде электролитов, являющихся отходами витаминного завода - щелочного элюата, в состав которого входят NaCl, NaOH, NiCl3, А120з, FeCl3, показало, что прочность бетона предыдущего состава при сжатии увеличилась до 78 МПа, или на 42%. Комплексная химическая добавка Na2S04+Na0H и ПДО (последрожжевой отход производства кормовых дрожжей), использованная на производстве КПД, способствовала росту прочности на сжатие бетона до 60% и снижению объема воды за-творения на 11% за счет пластифицирующего действия добавки ПДО.

Применение новой технологии по формованию песчаного бетона с использованием бисерного полистирольного зерна в качестве легкого заполнителя и ингредиента, образующего ячеистую структуру композита, дало возможность получать строительные материалы высокой прочности и средней плотности не более 1100... 1200 кг/м3.

В основе технологии, предложенной автором, лежит термическая обработка бетонной смеси в закрытой металлической форме при воз-

действии температур 102 и 275°С. При тепловом воздействии водной среды (102°С) в течение 10 часов песчаного бетона состава: цемента З90кг/м3, кварцевого наполнителя З12кг/м3, бисерного полистирольно-го зерна 480 кг/м3 (0,8 м3/м3), воды затворения 344 л (В/Ц=0,88) - был полу чек полистиролбетон средней плотностью уС() не более ¡200 кг/м3, прочностью Rb=34 МПа и ККК=0,28 (у керамзитбетона ККК-0,24). Большая Yep обеспечивается процессом вспучивающего эффекта поли-стирольного зерна при последующем отжатии излишней воды затворения из бетонной смеси и уплотнения межзернового пространства из цементного камня.

При комплексной термообработке: ТВО при 102°С и тепловом воздействии воздушной среды (275°С) при соответствующих 5- и 2-часовом времени воздействии - композит достиг прочности на сжатие Rb-37 МПа, средней плотности уср=1100 кг/м3, ККК=0,34. Таких физико-механических характеристик легкий полистиролбетон достиг при фиксированной прочности композита на первом этапе термообработки с образованием при температуре 275°С ячеистой структуры. Тонкие стенки этих ячеек сформированы из сублимативного полистирольного зерна, адгезионная прочность которых с компонентами вяжущего обеспечивает композиту высокую прочность.

Использование в песчаных асфальтобетонах иных по химическому и гранулометрическому составу наполнителей битумного вяжущего («белой сажи», комплексного минерального порошка: песчаного цемента +керамзитовой пыли + золы уноса в виде рахпосвязанной водной пасты) позволило повысить прочностные свойства более чем в 3 раза.

Разработана технология получения теплоизоляционного песчаного полистироласфальтобетона на вспученном, бисерном полистироль-ном зерне. Приготовление его происходит при температуре 130...135°С и одноминутном перемешивании ( для ограничения вспучивания полистирольного зерна). Формование такого бетона происходит при незначительном удельном давлении (8...10 МПа) с достижением прочности до 7,0 МПа.

Приготовленные из этого материала плитки при 80% содержании на 1 м полистирольного зерна могут быть использованы при утеплении кровель сельскохозяйственных помещений и устройства пешеходных дорожек.

В седьмой главе дано технико-экономическое обоснование использования наполнителя цемента в поливибрационном песчаном бетоне.

Для рационального использования минерального наполнителя (МН) необходима достоверная оценка его эффективности, так как не каждый МН отвечает требуемой характеристике бетонной смеси и бетона. По своей изначальной природе он также зависит от ряда факторов: вида и химико-минералогического состава цемента, технологии приготовления, условий твердения и генезисных характеристик материалов, используемых в качестве заполнителей, а также их объемного содержания.

С развитием технологии мелкозернистого песчаного бетона оценка эффективности его с использованием МН увязывалась с экономией цемента или достигнутой прочностью бетона, но не с видом минерального наполнителя с его химическими и минералогическими особенностями (И.М.Красный, В.П.Павлов, Л.А.Малинина, Н.М.Неделя, Ю.М.Баженов). В.К.Власов и А.Г.Зоткин в оценке эффективности бетонов с МН предлагают учитывать прочностные показатели.

Наиболее достоверную оценку эффективности в бетоне МН предложил, на наш взгляд, А.Г.Зоткин, ведя расчет удельной экономии портландцемента Эц на единицу прочности эталонного состава по следующей формуле:

Эц=(Ц/И-Ц'Л1')/(п*Ц/Я)) (14)

где п - доля добавки по массе в вяжущем с наполнителем (в долях единицы); Ц и Ц' - расходы портландцемента в бетонах без МН и с МН-.Л иЯ'- соответствующие прочности бетона.

По эффективности МН подразделяются на 4 группы: 1 - высокоэффективные (Эц>0,7); 2 - эффективные (Эц=0,4...0,7); 3 - малоэффективные (Эц=0,1...0,4); 4 - неэффективные (Э„<0,1). К последней группе А.Г.Зоткин отнес наполнитель типа грубодисперсного кварцевого песка, закристаллизованные шлаки, карбонатные и другие инертные наполнители.

На основе расчетов эффективности наполнителя из кварцевого песка и из цемента удельной поверхности 400...450 м2/кг получены следующие результаты:

после ТВО-Эц=(306Л8-30б/47У(0,8*306/18)=0,77; после ТВО и 28 сут.н.х.-Эц=(306/46-306/90)/(0,8*306/46)=0,61; после ТВО и 240 сут:н.х.-Эц=(306/70-306/124)/(0,8*306/70)=0,55 Таким образом, согласно классификации А.Г.Зоткина, данный наполнитель эффективен. Расчет экономических показателей по изготовлению дорожной Гшиты размером 6x1,5x0,18 м и объемом 1,62 м3, по стандартной и поливибрационной технологиям с учетом стоимости сырья, помола, электроэнергии и эксплуатационных издержек (проч-

ности, истираемости, морозостойкости, ремонта) показал, что экономический эффект рассчитанный по формуле в ценах 1997 г, составил:

э=[(С;-Сч)/(Сч]-юо% (15)

Э = [(743,914-418,692) / 418,692] • 100% = 77,67%

Этот результат экономической эффективности свидетельствует о целесообразности ППБ в дорожном строительстве.

Наполнитель в виде тонкодисперсной керамзитовой пыли было использован на заводе АО «Стройконструкция» при изготовлении фундаментных блоков из песчаного бетона, при уплотнении которых были применены глубинные и площадочные вибровозбудители.

На ОАО «Комбинат строительных материалов» на основе отсевов высокопрочного щебня Вишневогорского карьера Челябинской области изготовлялись канализационные кольца и длинноразмерные бордюрные камни. Виброуплотнение проводилось с использованием раз-ночастотных виброплощадок с амплитудой колебания от 0,1 до 0,75 мм и частотой от 50 до 100 Гц. Бордюрные камни, установленные на уличных дорогах, сравнивались в эксплуатационном режиме со стандартными. После 10-летнего срока их эксплуатации было выяснено, что бетонные изделия из песчаного бетона сохранили геометрические размеры, а бетоны на крупном щебне подверглись разрушению.

На заводе крупнопанельного КПД совместно с работниками заводской лаборатории проводились исследования по использованию в составах заводских бетонных смесей комплексной добавки из 1,5% Na2S04 и 0,5 ПДО (отхода Волжского гидролизного завода - послед-рожжевой отход) на сухое вещество от массы цемента. Внедрение ее позволило отказаться от привозной добавки С-3 без снижения прочностных свойств бетона. За период 1992-1994 гг. КПД было изготовлено 75300 м3 конструкций из бетона с этой комплексной химической добавкой.

На заводе ОАО «Железобетон» налажен выпуск бордюрных камней из мелкозернистого песчаного бетона, размером 15x30x100 см (БР 300.30.15 по ГОСТ 6665-91), удельным давлением вибропрессования РУд =0,015 МПа, частотой колебаний ñ=50 Гц и амплитудой колебания от 0,1 до 0,2 см. Отформованные изделия подвергались тепло-влажной обработке при t=80...90°C и выдержке на складе готовой продукции.

При введении в состав бетона наполнителя из керамзитовой пыли в количестве 300 кг/м3 расход цемента сократился на 150...200 кг/м3 при сохранении стандартной прочности по ГОСТ 6665-9 Г Экономическая эффективность составила до 57 рублей на 1 mj изделия за минусом

стоимости наполнителя-отхода керамзитового завода этого же ОАО «Железобетон».

В структурном подразделении ГУП «Марийскавтодор» Советского ДРСГУП в 1998 г. проведено строительство опытного участка верхнего покрытия из асфальтобетона с наполнителем и добавкой из вторичного полистирола в количестве 155,4 м2. Ведется наблюдение за деформациями верхнего слоя покрытия.

Основные выводы

1. Дана физико-механическая характеристика исходных компонентов песчаного бетона с наполнителем вяжущего из кварцевого песка, направленное применение которых в пассивном методе управления макроструктуры обеспечило равномерное распределение ингредиентов жесткого строительного композита. Разработаны методы управления процессами структурообразования строительных композитов как самоорганизующихся систем в виде стабилизационных блоков на микро-и макроуровнях, являющихся кластерными образованиями из элементарных ячеек кристаллов и элементарных объемов композита.

2. Теоретически и экспериментально показано, что подвод механической энергии в виде колебательного процесса различной частоты и амплитуды (вибростол ВВв = А2-^ = 45,4 м2/с3; плита-пуансон -13,0 м /с в начальном периоде и 110,6 м2/с3 в конечном; металлическая форма с бетоном - 6,3 м2/с3) как активного технологического приема при формировании структуры строительного композита способен создать структурную модель строительного материала на макроуровне с однородным расположением дискретных элементов структур - пор, зерен заполнителя и наполнителя.

3. Экспериментами определено, что наполнение цементного вяжущего дисперсной кварцевой добавкой более эффективно через технологический процесс совместного помола до удельной поверхности 400...450 м /кг, при котором происходит немедленное насыщение разорванных связей минеральных образований ионами ранее адсорбированных веществ, обмен катионами при донорно-акцепторном взаимодействии и в гидроксилыюй группе ОН".

4. Определены оптимальные значения колебательного процесса системы «вибростол-бетонная смесь-пригружакицее устройство» при удельном давлении последнего 0,0150 МПа: а) при не закрепленной форме с бетоном к вибростолу -для вибростола А= 1,16мм и £=60 Гц, бетонной смеси А=0,64мм и Г=60Гц, пластины-пуансона А=0,70 мм и £=60 Гц; б) при закрепленной форме с бетоном к вибростолу -для виб-

ростола А=1,45 мм и f=60 Гц, бетонной смеси А=0,60 мм и f=60 Гц, пластины-пуансона А=0,80 мм и f=120 Гц.

5. Экспериментальными исследованиями установлена оптимизационная структурная модель поливибрационного песчаного бетона с расходом цемента и наполнителя удельной поверхности 400м2/кг в количественном соотношении 306:245 кг/м3 при В/В=0,308 (В/Т=0,075). Построена номограмма по расчету составов ППБ в зависимости от наполнения цементного вяжущего. Прочностные характеристики оптимизационного состава ППБ составляют: RB=80...85 МПА, RB,=8...12 МПа при у=2250...2300 кг/м3 и времени виброуплотнения t=160...170 с.

Прочностные показатели подтверждены физико-механическими анализами (ДТА и рентгено-оптикоскопией) фазовых составов цементного камня в зоне контакта «цементный камень-заполнитель» и свидетельствуют об объемном увеличении кизкоосновных гидросиликатов кальция.

6. Построен график (кривая) влияния микротвердости контактной зоны двух твердых фаз цементного камня и кварцевого зерна заполнителя на глубину их структур до Д1=200 мкм, по которой можно по прочности бетона прогнозировать толщину цементной пленки межзернового пространства.

7. Дана классификация песчаных бетонов по жесткости цементно-песчаных смесей и прочностным совйтсвам: 5 основных групп: I -Ж=5...20с, В 7,5...15МПа; II - Ж=25...45 с, В 20...25МПа; III -Ж-50...80с, В30...40МПа; IV - Ж=90...150 с, В 45...60МПа; V -Ж=180с, В 70...90МПа ; сверхпрочные-Ж>220 с, в 100... 135МПа..

Определены основные строительные свойства поливибрационного песчаного бетона Rnp, Rbt, Robi и им соответствующие коэффициенты, отнесенные к кубиковой прочности, которые выше нормативных на 14...20%. Выявлена зависимость по влиянию влаги на прочностные свойства ППБ при постоянном и попеременном ее воздействии. Представлена формула перевода прочности влажного бетона к прочности сухого. Рассчитан предел сопротивления межплоскостных энергетических связей кристаллообразований цементного камня от попеременного влагосодержания в их структуре (усадки и набухания), выраженный в образовании микротрещин в слоистой структуре цементного камня. -

8. ППБ в силу высокой плотности и однородной структуры за счет содержания наполнителя цемента более долговечны, чем стандартные песчаные и тяжелые бетоны на щебне. Его морозостойкость Мр5 составляет 700, модуль упругости Ео выше на 37%, усадка и мера ползучести меньше соответственно в 3...4 и 2.5...4 раза.

Активность наполненного цементного вяжущего при длительном его хранении в условиях повышенной влажности среды выше, чем у цемента без наполнителя, в силу экранирующего действия кварцевого наполнителя при коррозионном процессе цементного зерна.

Поливибрационный песчаный бетон температуроустойчив в интервале температур 100...400°С. В зависимости от начальной прочности он после первого нагрева до 400°С и остывания может достичь прочности при сжатии 160...170 МПа в сухом состоянии, а при сорбци-онной влажности 1...3% 130... 140 МПа.

9. Предложен механизм физико-химической активации твердения цементного теста электролитами, основанный на непосредственном введении химических добавок (элюата и nji0+Na2S04) в воду затворе-ния бетонной смеси. Установлено значительное повышение эффективности по приросту прочностных показателей бетонов до 60% и снижение макропористости.

10. Исследованиями установлено, что изменением технологических полей воздействия на химические органические добавки при формовании песчаных бетонов возможно получить преднапряженные строительные материалы высокой прочности (35 МПа) при снижении средней плотности до 1000... 1100 кг/м3.

11. Использование плит покрытия из поливибрационного песчаного бетона в дорожном строительстве по стоимости и эксплутацион-ному содержанию дает экономию при сроке эксплуатации 30 лет 77,67% по сравнению со стандартным песчаным бетоном для этих же целей.

Основные результаты исследований изложены в следующих работах

Отдельные издания

1. Краснов A.M. Физико-химические основы технологии дорожно-строительных материалов: Учебное пособие, утвержд. УМО МАДИ. - Йошкар-Ола, 1993.

Основные публикации в периодических сборниках

2. Краснов A.M., Матвеев H.H., Краснов A.A. Отходы строительной индустрии в дорожном строительстве //Ресурсосбережение и экология: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Ижевск, 1990. -С.92-93.

3. Краснов A.M., Курмузакова Е.Л., Четверикова Н.В. Влияние размера и химического состава заполнителя на прочность песчаного бетона дорожных плит //Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Владимир, 1990. - С. 54-56.

4. Красной A.M. Влияние заполнителя на прочность песчаного бетона //Сб. тр. МарПИ но итогам НИР за 1986-1988 гг. - Йошкар-Ола, 1988. -С.40.

5. Краснов A.M. Влияние наполнителя на коррозию цементного зерна //Экономия ресурсов при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог и сооружений: Тез. докл. Росс. науч.-техн. конф. - Суздаль, 1993.-С. 40-42.

6. Краснов A.M., Шмидт В.А. Исследование песчаного бетона безавто-клааного твердения //Технология бетонных работ в условиях сухого и жаркого климата. - Ташкент, 1983-1984. - С.91-93.

7. Краснов A.M., Шмидт В.А., Еремеева Ю.В. Получение высокопрочного гипсобетона методом прессования //Сейсмостойкость строительства и строительные материалы. - Ашхабад: Ылым. - 1985. - С. 56-62.

8. Краснов A.M., Лапин B.C. Мелкозернистый бетон на каракумском песке, армированный супертонким базальтовым волокном //Сейсмостойкое строительство и строительные материалы. - Ашхабад: Ылым. - 1978.-№5. - С. 90-97.

9. Краснов A.M. Укрепление песчаного грунта гипсошлако- портландцементом //Тез. докл. к XXXVIII науч. конф. - Казань, 1986. - С.41.

10. Краснов A.M., Краснов A.A., Комелич М.С., Фоминых A.B., Кузнецов Г.Б. Исследование технологии цементного бетона с комплексной химической добавкой сульфата натрия и последрожжевого отхода //Строительство и проблемы экологии: Тез. докл. обл. конф. - Симферополь, 1992. - С. 63.

11. Краснов A.M. Основные строительные свойства ячеистых силикатных бетонов на основе полиминеральных барханных каракумских песков: Дисс. канд. техн. наук. - Ашхабад, 1969.

12. Краснов A.M. Влияние поливибрационного уплотнения и микронапол-нителк песчаной бетонной смеси на физико-механические характеристики //Совершенствование автомобильных дорог и искусственных сооружений на Северо-Западе РСФСР: Межвуз. тсмат. сб. тр /ЛИСИ.-Л., 1987. - С. 128-134.

13. Краснов A.M., Васина Л.В. Роль поливибрации и термообработки в получении высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона //Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог-в нечерноземной зоне РСФСР. Тез. докл. науч.-техн. конф. — Владимир, 1990.-С.54.

14. Краснов A.M., Фоминых A.B., Краснов A.A. Песчаный бетон на отходах камнедроблени.ч и химических добавок витаминного завода //Исследование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автодорог: Тез. докл. регион, конф. - Суздаль, 1989. - С. 128-129.

15. Краснов A.M., Краснов A.A., Фоминых С.Г. Цементный бетон на основе дробления мраморного щебня //Строительство и проблемы экологии: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Симферополь, 1992. - С. 70.

16. Краснов A.M., Полушина Т.Г., Лаптева Е.В., Краснов A.A. Теплоизоляционный песчаный бетон на основе бисерного полистирола //Особенности проектирования и строительства автомобильных дорог в условиях Северо-Запада: Тез. док. науч.-техн. конф. - Архангельск, 1988. -С. 34.

17. Краснов A.M. Песчаный асфальтобетон на основе минерального порошка из «белой сажи» /ЛГез. докл. XXIX науч. конф. - Казань, 1987, - С. 48.

18. Краснов A.M., Белоусова И.И. Роль пастеризованного минерального порошка из золы уноса, керамзитовой пыли и песчаного цемента в структуро-образованиии асфальтобетона //Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР: Тез. докл. науч.-тсхн. конф. -Владимир, 1985. - С. 88.

19. Краснов A.M., Алдушкин И.П. Теплоизоляционный песчаный асфальтобетон на основе бисерного полистирола //Тез.докл. межреспубл. науч.-техн. конф. /Под общ. рел. чл.-кор. АТР В.А.Семенова - Суздаль, 1992. - С.84-86.

20. Романов B.C., Краснов A.M., Яковлев Ю.М, Сабуров С.Г., Прохоров Р.В. Песчаный асфальтобетон и повышение его физико-мсханических свойств //Проблемы дорожного строительства: Тез. докл. на республ. науч.-тсхн. конф.

-Суздаль, 1996.-С. 30-31.

21. Краснов A.M. Влияние многократного увлажнения на прочность песчаного бетонз //Охрана и рациональное использование водных ресурсов: Тез. докл.II республ. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола, 1998. - С. 107-109.

22. Краснов A.M. Водопроницаемость песчаного бетона от его структурной прочности //Охрана и рациональное использование водных ресурсов: Тез. докл.И республ. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола, 1998. - С. 109-111.

23. Краснов A.M., Романов B.C. Влияние химического состава минерального порошка на свойства песчаного асфальтобетона //Вавиловские чтения /МарГТУ. - Йошкар-Ола, 1997.-С.328-330.

24. Краснов A.M.. Романов B.C., Яковлев Ю.М. Повышение сцепления покрытия эксплуатируемого асфальтобетона с асфальтобетоном на модифицированном битуме /Вавиловские чтения /МарГТУ. - Йошкар-Ола, 1997. - С.317-318.

25. Краснов A.M., Иванов О.В., Шестаков М.В. Модуль упругости поливибрационного песчаного бетона: Тез. докл. Всеросс. семинара-совещания руководителей дорожных, научных и проектных организаций /Под ред. проф. В.А.Семенова. - Суздаль, 1998. - С.106-108.

26. Краснов A.M. Истираемость поливибрационного песчаного бетона: Тез. докл. Всеросс. семинара-совещания руководителей дорожных, научных и про--сктных организаций/Под ред. проф. В.А.Семенова. - Суздаль, 1998. - С. 101.

27. Краснов A.M., Фоминых А.В. Влияние гранулометрического и химического составов заполнителя на структурную прочность поливибрационного мелкозернистого песчаного бетона //Проблемы дорожного хозяйства европейской части севера России: Сб. тез. докладов рссп. науч.-техн. конф. - Архангельск, 1996. - С.48.

28. Краснов A.M. Влияние способа формования цементно-песчаной смеси на свойства мелкозернистого песчаного бетона //Современные проблемы строительного материаловедения: Сб. тез. докладов респ. науч.-техн. конф. -Ч.З. Перспективные направления в теории и практике минеральных вяжущих веществ.минералов на их основе. - Казань, 1996. - С.81-82.

29. Краснов A.M. Зависимость прочности поливибрационоого песчаного бетона от величины цементной пленки из цементного камня //Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса: Тез. докл.1-й Международной науч.-техн. конф. - Ростов- на-Дону, 1998. - С.21-23.

30. Краснов A.M. Высокопрочный поливибрационный песчаный бетон //Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях: Тез. докл. Росс, науч.-техн. конф. - С.Пб., 1995. - С.152-155.

31. Краснов A.M. Экономическая оценка использования наполнителя в технологии поливибрационного высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона. //Перспективные материалы, технологии, конструкции: Сб. науч. тр. /Под ред. проф. В.В.Стацуры. - Вып. 4. - Красноярск: САА. 1998. - С. 419423.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения.

32. А.С.СССР. 114499. Асфальтобетонная смесь /А.М.Краснов, Н.И.Бслоусова //Бюл. открытия и изобретения. - 1985. - №10.

33. A.C.СССР.885191. Сырьевая смесь для изготовления ячеистого бетона /Я.Г.Гасанов, А.П.Меркин, А.М.Краснов //Бюл. откр. и изобр. - 1981. - №44.

34. А.С.СССР. 1636213. Способ формования строительных изделий /А.М.Краснов, А.А.Мамаев, А.Л.Краснов //Бюл. откр. и изобр. -1991. - №11.

35. А.С.СССР. 992498. Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий/А.М.Краснов, Е.М.Кочетова//Бюл. откр. и изобр. - 1983. -№4. .

36. Патент 1726424 Россия. Комплексная добавка для бетонной смеси /А.М.Краснов, М.С.Камелин, В.П.Ившин, В.Г.Фоминых, С.С.Пономарев,

A.В.Фоминых, А.А.Краснов//Бюл. откр. и изобр. - 1992. - №14.

37. Патент 2024458. Россия. Бетонная смесь А.М./Краснов, В.Н.Попов,

B.Н.Ведерников, Р.В.Мухаметханов//Бюл. откр. и изобр. - 1994. - №3.

38. A.C. 1650642.СССР. Способ изготовления строительных изделий /А.М.Краснов, Н.А.Полушина, Н.А.Ложкина, А.А.Краснов //Бюл. откр. и изобр. - 1991.-№19.

39. A.C. 1661170.СССР. Способ изготовления строительных изделий /А.М.Краснов, Е.В.Кропотова, Н.А.Ложкина, А.А.Краснов //Бюл. откр. и изобр. - 1991.-№25.

40. A.C.17I5788.CCCP. Способ изготовления строительных изделий /А.М.Краснов, Н.Н.Зубков, А.А.Краснов //Бюл. откр. и изобр. -1991. -№8,

41. A.C. 1286565.СССР. Способ приготовления асфальтобетонной смеси /А.М.Краснов, Н.И.Белоусова//Бюл. огкр. и изобр. - 1987. - №4.

42. Патент 2128632. Россия. Способ приготовления вяжущего для дорожного строительства. /А.М.Краснов, В.С.Романов, Ю.М.Яковлев. // Бюл. откр. и изобр. - 1999. - №10.

ПЛД №2018 от 06.10.99 Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1979

Ооп Map. ГТУ. 424006 Йошкар-Ола, ул.Панфилова, 17