автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение морозостойкости и водонепроницаемости мелкозернистых бетонов для речных гидросооружений

На правах рукописи

Алексашин Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ РЕЧНЫХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Москва - 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент,

Булгаков Борис Игоревич

Официальные оппоненты:

Белов Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тверской государственный технический университет», проректор по инновационному развитию, заведующий кафедрой «Производство строительных изделий и конструкций».

Бессонов Игорь Вячеславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, нпучно-нсследовательский институт строительной фишки Российском академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСИ). заведующий лабораторией «Сгройфизика-ТЕСТ».

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

Зашита состоится 26 декабря 2014 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.1.18.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337. г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26. аул.№420 УЛК

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» \у\у\у.тцзи.п1

Автореферат разослан «24» ноября 2014 г.

ооразовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Ученый секретарь диссертационного совета

../'О

Алимов Лев Алексеевич

РОССИЙСКАЯ

осуддрствитля

ьИСЯИОТГКД

2015 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Натурные наблюдения поквзьшают, что часто гидротехнические конструкции н сооружения в процессе эксплуатации становятся непрнгодными к дальнейшей эксплуатации раньше положенного срока, что влечет за собой дополнительные затраты на их ремонт, а также на строительство новых сооружений.

Для решення задачи повышения эффективности мелкозернистых бетонов(МЗБ), предназначенных для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений, необходимо модифицировать их органическими и минеральными добавоками.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «МГСУ» на кафедре «Технологии вяжущих веществ и бетонов» на 2009- 2014 годы.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы - разработать высокоэффективный МЗБ, предназначенный для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений.

Поставленная цель включает решение следующих задач:

• обосновать возможность получения высокоэффективного МЗБ за счет одновременного введения в его состав пластификатора, высокоактивного метакаолнна и кремнинорганнческого гидрофобиэатора;

• разработать оптимальный состав и технологию получения МЗБ. имеющего высокие эксплуатационные показатели, предназначенного для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений;

• установить зависимости физико-механических и эксплуатационных характеристик разработанного МЗБ от основных факторов:

• разработать рекомендации по подбору состава, технологии получения мелкозернистой бетонной смеси, а также по применению полученного из неё высокоэффективного МЗБ:

• провести опытно-промышленную апробацию полученных результатов исследований и дать технико-экономические обоснование эффективности применения разработанного модифицированного МЗБ.

Научная новизна работы.

• Обоснована возможность получения эффективного мелкозернистого бетона, предназначенного для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений, за счет использования модификатора состоящего из суперпластификатора, позволяющего снизить водоцементное отношение прп сохранении требуемой удобоукладываемости, высокоактивного метакаолнна для значительного уплотнения структуры бетона, а также преобразования свободного Са(ОН>2 в менее растворимые низкоосновные гидросиликаты кальция С-5-Н и образования эттрингита при реакции с аморфным АЬСЪ, который, кристаллизуясь, упрочняет структуру цементного камня, и гидрофобизирующей кремнпйорганической жидкости, вводимой с водой затворенпя, существенно повышающей водонепроницаемость бетона;

• получена зависимость прочности и удобоукладываемости бетонной смеси от расхода суперпластификатора;

• получена многофакторная зависимость прочности на сжатие и на растяжение при изгибе модифицированного МЗБ от расхода высокоактивного метакаолнна и кремнийорганического гидрофобиэатора;

в

• получена многофакторная зависимость морозостойкости и водонепроницаемости модифицированного МЗБ от расхода высокоактивного метакаолнна и кремнийорганического гидрофобизатора;

• показано влияние выбранных модифицирующих добавок на усадку и коррозионную стойкость МЗБ;

• по результатам исследований проведенных с использованием растрового электронного микроскопа доказано уплотнение структуры полученного мелкозернистого бетона по сравнению с контрольными образцами;

• с помощью метода рентгенофазового анализа подтверждено увеличение доли гидроснликатов и гидроалюминатов кальция за счет введения в состав высокоактивного метакаолина.

Практическая значимость.

• разработан МЗБ с классом по прочности на сжатие В40, маркой по водонепроницаемости \У20, маркой по морозостойкости Р600 и высокой стойкостью к коррозии выщелачивания;

• разработаны рекомендации по технологии получения модифицированного МЗБ, предназначенного для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений;

• разработана методика проектирования состава МЗБ на основе полученных зависимостей;

• новизна разработок, выполненных на основе диссертационных исследований, подтверждается полученным положительным решением по заявлению на изобретение № 2014115412/03.

Внедрение результатов исследований.

• С учетом разработанных рекомендаций по проектированию состава и получению высокоэффективного мелкозернистого модифицированного бетона была выпущена опытная партия бетона общим объемом 24м , которая была применена при реконструкции автомобильного моста через реку Воря в Московской области. Применение разработанного высокоэффективного модифицированного мелкозернистого бетона позволило получить экономический эффект за счет увеличения срока безремонтной эксплуатации в размере 1986.33 руб. на м2 в ценах 2014 года по сравнению с обычным крупнозернистым бетоном того же класса по прочности на сжатие;

Апробация работы.

• Основные положения и результаты работы были доложены на Международной молодежной конференции «Оценка рисков и безопасность в стро1ггельстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» Москва 2012г., Международной заочной научно-технической конференции «Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании», Тверь, ТВГТУ, 2014г., а также на Международной научной конференции молодых ученых «Перспективные материалы в строительстве и технике» Томск, ТГАСУ, 2014г.

• По результатам диссертационных исследований были опубликованы 6 научных работ, 2 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

На защиту выносятся:

• обоснование выбора сырьевых компонентов для получения эффективного мелкозернистого модифицированного бетона, предназначенного для облицовки п ремонта речных гидротехнических сооружений;

• зависимости влияния совместного применения высокоактивного метакаолнна и кремнийорганического гидрофобизатора на основные эксплуатационные характеристики пластифицированных мелкозернистых бетонов;

• обоснование возможности получения высокоэффективных мелкозернистых бетонов, обладающих заданными свойствами;

• рекомендации по проектированию состава и технологии получения мелкозернистой бетонной смеси, а также по применению полученного эффективного МЗБ;

• результаты опытно-промышленного внедрения результатов исследований и расчета технико-экономической эффективности применения разработанного МЗБ.

Структура н объем работы

Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы и

приложений, содержит 113 страниц печатного текста, включая 27 рисунхов.28 таблиц

и списка литературы из 117 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На сегодняшний день проведены ряд исследований касающихся применения эффективных бетонов для строительства гидротехнических сооружений. Однако большинство из них касаются нового строительства и либо проводились относительно бетонов используемых в районах с влажным жарким климатом, либо в для бетонов используемых в строительстве морских сооружении. Речным гидротехническим сооружением в настоящее время уделяется недостаточное внимание. Многое из них находятся в плачевном состоянии, новые сооружения имеют короткий срок службы.

Существует необходимость создать эффективный модифицированный МЗБ предназначенный для строительства и ремонта речных гидротехнических сооружений, обладающий улучшенными эксплуатационными характеристиками, и повышенной долговечностью. Основной упор следует сделать на увеличение морозостойкости, так как в средних широтах имеет место частый температурный переход через ноль, а также увеличение стойкости к коррозии выщелачивания, которая наиболее часто проявляется при воздействии на бетон пресных вод.

Решение данной проблемы возможно благодаря переходу к многокомпонентным бетонам с различными добавками, такими как суперпластификаторы, тонкодисперсные минеральные наполнители, а также различными специальными добавками, главным образом гидрофобизирующими.

Исследования показывают, что сильнее всего бетон гидротехнических сооружений разрушается в зоне переменного увлажнения и высушивания. При этом капиллярный подсос воды, резкие колебания влажности и частый переход температурной отметки через ноль в этой зоне являются причиной постоянных и неравномерных изменений его объема в результате замораживания и оттаивания, что вызывает образование в нем трещин, доступных для проникновения воды, что способствует дальнейшему разрушению бетона. При воздействии на бетон агрессивных вод неблагоприятную роль играет увеличение в объёме кристаллов гипса VI гилросульфоалюмннатов кальция, что вызывает напряжения в микроструктуре бетона и усиливает эффект разрушения.

В подводной зоне гидротехнических сооружений бетон в основном разрушается от проникающей в него воды. В тех случаях, когда вода содерж1гг агрессивные примеси, то это увеличивает деструктивные процессы, так как эти примеси проникают в бетон вместе с водой.

Следовательно, стойкость бетона в водной среде зависит от водопоглощения бетона, водонепроницаемости и миграции в нем воды. Поэтому, для решения залачн повышения долговечности речных гидротехнических сооружений первостепенной задачей является получение высокоэффективного бетона с улучшенными характеристиками и повышенной долговечностью.

Научная гипотеза состоит в том, что использование модификатора состоящего из суперпластификатора, позволяющего снизить водоцементное отношение при сохранении требуемой удобоукладываемостн, высокоактивного метакаолина для значительного уплотнения структуры бетона, а также преобразования свободного Са(ОН): в менее растворимые низкоосновные гидросилпкаты кальция С-Э-Н и образования эттрпнгнта при реакции с аморфным АЬОз, который, кристаллизуясь, упрочняет структуру цементного камня, и гпдрофобизнруюшей кремннйорганической жидкости, вводимой с водой затворения, существенно повышающей водонепроницаемость бетона, позволит получить эффективный МЗБ предназначенный для облицовки и ремонта речных гидротехнических с ооружений.

Для подтверждения основных положений гипотезы были проведены систематизированные исследования. При этом были использованы следующие сырьевые материалы.

Цемент.

В качестве вяжущего вещества был выбран портландцемент ЦЕМ I 42.5 Н производства Мальцевского цементного завода. Основные характеристики портландцемента определенные в соответствии с действующими стандартами приведены в табл. I и 2.

Таблица 1.

Минералогический состав портландцемента Мальцовского цементного завода

Содержание минералов %

Прочие

65 13,5 6 13 2,5

Таблица 2.

Физико-механические характеристики портландцемента Мальцовского цементного _завода_

Нормальная густота. % Удельная поверхность. Сроки схватывания, ч-мин Прочность в возрасте 28 суток, МПа

начало конец при сжатии при изгибе

25,8 3765 1-30 3-35 49 5,9

Песок.

В качестве мелкого заполнителя использовался песок карьерный, Мансуровского месторождения. С модулем крупности 2,65

Добавки

С целью уплотнения структуры бетона в качестве тонкодисперсной минеральной добавки в бетонную смесь применяли высокоактивный метакаолин производства ООО «МетаРус». Характеристики метакаолина приведены в табл. 3

Таблица 3.

Физико-механические характеристики высокоактивного метакаолина.

Основные характеристики Значения показателей Основные характеристики Значения показателей

Содержание частиц менее 2 мкм, % 65,8 Массовая доля оксида кальция СаО, % 0,48

Удельная поверхность, м-/г 15 Пуццоланическая активность, мг Са(ОН); / г 1050

Массовая доля оксида алюминия АЬОя, % 43,8 Содержание аморфных А12Оз Н 5|Ог, % 91,2%

Массовая доля оксида кремния 5Ю:, % 53,4 П.П.П., % 1,0

Массовая доля оксида железа Ре^Оч, % 0.74 Насыпная масса до уплотнения, кг/м3 304

Массовая доля оксида титана ТЮ;, % 0.58 Радиационная активность мкр/час. 18

Для снижения водопотребности мелкозернистой цементно-песчаной бетонной смеси при сохранении её высокой подвижности (РК= 150-160 мм) в качестве пластифицирующей добавки применяли суперпластифнкатор. представляющий собой сульфированный продукт конденсашш формальдегида, «Химком Ф-1» в виде 30%-ного водного раствора, выпускаемый ООО «Химком».

Для гидрофобизации мелкозернистого бетона были использованы

кремнийорганпческпе жидкости производства ЗАО НПК «СОФЭКСИЛ»: «СОФЭКСИЛ-40», представляющая собой 50%-ный водный концентрат метплсилпконата калия и «СОФЭКСИЛ 60-80» в виде 60%-ной волной силан-силоксановой эмульсии, основные характеристики которых приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4.

Технические характеристики «СОФЭКСИЛ-40»_

Основные характеристики Значения показателей

Плотность при 20° С, г/см' 1.3-1.37

Массовая доля кремния, % 8.8-12

Щелочность (в пересчете на К ОН ),% 20-26

Водородный показатель, рН 14

Таблица 5

Технические характеристики «СОФЭКСИЛ 60-80»_

Основные характеристики Значения показателей

Массовая доля кремния % 6-8

Щелочность (в пересчете на К ОН )% 20-26

Реакция среды (рН водной вытяжки) 6-8

Стойкость при разбавлении Выдерживает испытание

Следуя современным рекомендациям по подбору состава мелкозернистого бетона модифицированного активными минеральными добавками, определение его оптимального состава осуществляется в следующем порядке: сначала расчетно-экспериментальным путем производят подбор состава бетона без добавок, затем, экспериментальным путем, определяют оптимальный расход активных минеральных п органических добавок с последующей корректировкой всего состава бетона по остальным компонентам.

7

Для снижения водопотребности мелкозернистой цементно-песчаной бетонной смеси при сохранении её требуемой подвижности (РК= 150-160мм) целесообразно использовать суперпластифпкатор. В качестве пластифицирующей добавки применяли суперпластификатор «Химком Ф-1» в виде 30%-ного водного раствора. Суперпластификатор «Химкам Ф-1» представляет собой сульфированный продукт альдольной конденсации формальдегида. Концентрация суперпластификатора варьировалась в пределах от 0,6 до 1,5% от массы цемента в пересчете на сухое вещество.

Пластифицирующую добавку «Химком Ф-1» следует вводить в бетонную смесь вместе с водой затворения при обеспечении достаточного времени перемешивания после введения добавки. Причём, оптимальную дозировку суперпластификатора «Химком Ф-1» для конкретного бетона следует определить опытным путем.

Суперпластификатор «Химком Ф-1» по сравнению с пластификаторами на основе лигносульфонатов или нафталинсульфокислоты, например С-3, не обладает резким, неприятным запахом, не подвержен расслоению и выпадению в осадок и, кроме того, может храниться при отрицательных температурах до -12"С. «Химком Ф-1» не вызывает коррозию стальной арматуры в бетоне и не снижает пассивирующего действия бетона по отношению к нем. Он пожаровзрывобезопасен и по ГОСТ 12.1.002 относится к 3 классу опасности (умеренно опасное вещество с ПДК в воздухе рабочей зоны - 2 мг/м' и в атмосфере населённых пунктов - 0,5 мг. м\ Причём, затвердевший бетон с добавкой пластификатора вредных веществ в воздушную среду не выделяет. В результате проведённой экспериментальной работы было установлено, что наибольшая прочность мелкозернистого бетона на сжатие (55,4 МПа) и на растяжение при изгибе (8,8 МПа) в возрасте 28 суток нормального твердения, а также его высокая водонепроницаемость (\V201 достигаются при использовании суперпластнфнкатора «Химком Ф-1» в количестве 1,2% от массы цемента в пересчёте на сухое вещество (табл.6).

Таблица 6

Физико-механические показатели мелкозенистого бетона пластифицированного

«Химком Ф-1».

№ состава I и га IV

Цемент, кг 550 550 550 550

Песок.кг 1500 1500 1500 1500

«Химком Ф-1»(30%-н раствор), кг 11(0,6%) 16(0.9%) 22(1.2%) 28(1,5%)

Вода.кг 180 156 150 144

Подвижность по расплыву конуса, мм 160 115 150 159

Яизг28суг, МПа 5.13 7,5 8,8 8,3

Ясж28сут, МПа 26,4 46,2 55,4 53,2

Водонепроницаемость: сопротивление бетона прониканию воздуха, с/см' марка - - 355,0 Ш20 157,9 \У20

Примечание: в скобках указана концентрация «Химком Ф-1» в % от массы цемента в пересчёте на сухое вещество.

Одним из основных разупрочняющих факторов бетона является его повышенная пористость. Она возникает вследствие деструкции бетона во время эксплуатации и выражается в разрыхлении его структуры, ослаблении связи между кристаллическими новообразованиями в цементном камне, а также цементным камнем и частицами заполнителя, что приводит к снижению прочности бетона, а также способствует фильтрации

а

в объем бетона воды и агрессивных жидкостей, и. кроме того, морозному и абразивному разрушению. Решением этой проблемы может стать значительное уплотнение структуры бетона. По результатам исследований, приведенных в научно-технической литературе, известно, что с целью сокращения расхода цемента, а также уплотнения структуры бетона в качестве тонкодисперсной минеральной добавки в бетонную смесь вводят метакаолин. Причём, его количество в армированных бетонах не должно превышать 15% от массы цемента, т.к. он содержит активный диоксид кремния и оксид алюминия примерно в одинаковой пропорции и по этой причине сильнее, чем микрокремнезём, связывает свободный гидроксид кальция, что приводит к снижению щёлочности среды в бетоне и может вызвать коррозию стальной арматуры. Кроме того, введение метакаолпна, как и любого другого тонкомолотого наполнителя, в большем количестве повышает водопотребность бетонной смеси из-за его мелкодисперсности и большой величины удельной поверхности, достигающей 15 м'/ги выше.

С целью повышения водонепроницаемости и морозостойкости гидротехнического мелкозернистого бетона в бетонную смесь вводились гидрофобизирующие кремнийорганпческне жидкости: «СОФЭКСИЛ^О», представляющая собой 50%-нып водный концентрат метилсиликоната калия, и «СОФЭКСИЛ 60-80» в виде 60%-ной водной силан-силоксановой эмульсии.

Было экспериментально установлено, что введение в пластифицированную мелкозернистую бетонную смесь «СОФЭКСИЛ-40» в количестве 0,2% от массы цемента эффективнее повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона, чем добавка 1,5% «СОФЭКСИЛ 60-80» (табл. 8)

Таблица 8

Прочность, морозостойкость н водонепроницаемость пластифицированного

мелкозернистого бетона, гндрофобнзированного кремнийорганическими жидкостями.

.42 состава [(Контрольный) II III IV

Цемент,кг 550 550 550 550

Песок.кг 1500 1417,5 1417.5 1417.5

Химком Ф-1 (30%-й раствор), кг 22(1,2%) 22(1.2%) 22(1,2%) 22(1.2%)

Вода,кг 150 150 150 150

Метакаолин, кг - 82.5(15%) 82.5(15%) 82.5(15%)

Софэксил- 40, кг - - 1,1(0.2%) -

Софэксил 60-80, кг - - - 8,25(1.5%)

Ясж28с\т, МПа 55,4 56.7 57.5 51.4

Фактическая морозостойкость.циклы испытаний 492 446 653 379

Марка по морозостойкости И400 Р400 Р600 Р300

Водонепроницаемость : сопротивление бетона прониканию воздуха, с/'см\ марка 355,0 \У20 324.8 \У20 338,5 \У20 296,7 \У20

Примечание: в скобках указана концентрация добавок в % от массы цемента.

В результате проведенных экспериментов для дальнейших исследований был выбран постоянный оптимальный расход пластифицируешен добавки «Химком Ф-1» равный 1.2% от массы вяжущего. В/Ц равное 0,31 с учетом влажности заполнителя, в также кремнийорганический гидрофобнэатор «СОФЭКСИЛ 40».

Выделим основные требования предъявляемые к мелкозернистому бетону предназначенному для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений проектируемого состава:

- прочность при сжатии 50 МПа;

- водонепроницаемость \М20;

- повышенная морозостойкость:

Подбор оптимального состава мелкозернистого гидротехнического бетона путем будем выполнять методом ортогонального центрального планирования 2-го порядка.

Выбор факторов, влияющих на прочность водонепроницаемость и морозостойкость мелкозернистого бетона:

Ъ| - расход высокоактивного метакаолина

Z: - расход гидрофобизируюшей добавки «СОФЭКСИЛ 40»

Таблица 9

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

В натуральном виде В виде переменных -1 0 + 1

Расход метакаолина Х| 5 10 15 5

Расход «СОФЭКСШМО» Х^ 0,08 0,14 0,2 0,06

Параметры оптимизации

У1 - водонепроницаемость (по сопротивлению прониканию воздуха), М; У2 - прочность на сжатие, Язв; у? - прочность на растяжение при изгибе. Яиги; У4 - фактическая морозостойкость, Р.

Таблица 12

Ортогональный илаи второю порядка и результаты экспериментов

Экачеиис фаетиро* Параметры шгтнмниашш

В йефалмршй системе координат В натуральном масштабе М.с/смЗ Ки.Миа Ь (ЦИКЛЫ) М.с/смЗ Яа, МП» Ян* МП> Г. (шгели)

11 МК ГФ У' V- V' У« Ь У: }.

1 + 1 + 1 +оэзз +ОЭЗЗ 15 0.2 325 56Д ИД 618 338 57,5 8,9 653

2 15 0.2 346 58,5 9,4 686

3 15 0,2 343 57,8 9.1 655

4 >1 0 <0.333 -0.666 15 0.14 325 56.3 583 322 56.8 8.5 578

5 15 0.14 331 57Д 574

6 15 0.14 310 56,9 8Д 577

7 + 1 -1 +0.333 +«.333 15 0.01 286 56.4 479 276 55Д 8,3 460

8 15 0.08 280 41 456

9 15 0.08 262 55,1 7.9 445

10 0 +1 -0.666 +<изз 10 ОД 178 52,3 7.» 403 173 52,7 7,7 401

II 10 0,2 156 51,4 7,4 382

12 10 ОД 185 54.4 7.9 418

13 0 0 -0.666 -0.666 10 0.14 152 52,8 7Д 386 168 53,9 7.4 396

14 10 0.14 168 ЯД 7,6 392

15 10 0.14 184 54,7 ' 7.4 410

16 0 -1 -0.666 +0.333 10 0.08 141 53Д 8.1 381 132 53,2 7.9 366

17 10 0.08 135 54.3 7.7 348

18 10 0,0В 120 52,1 7,9 369

1« -1 + 1 +0.333 +0.333 5 ОД 201 51,4 7.1 384 195 51 7,1 376

20 5 ОД 186 50.1 375

21 5 ОД 198 51.5 7.1 369

22 -1 0 +0.333 -0.666 5 0.14 168 51,8 354 165 52,4 6.9 343

23 5 0,14 152 52,3 7,1 326

24 5 0.14 175 53.1 349

25 -1 -1 +0.333 +0.333 5 0.08 158 51.9 338 166 52.6 7.1 359

26 5 0.08 176 52,6 7,5 396

27 5 0,08 164 53,3 7Д 343

После проверки значимости коэффициентов полученных расчетных уравнений незначимые коэффициенты были отброшены, в результате чего были получены следующие уравнения:

У1=161+68х|+22х2+86х|2-5х::+8.25х|х:;

У:=54+2.25Х,+Х|:!-0.5Х22+Х1Х2;

уз=7.6+0.8х! +0.1x2+0.1хг Я).2х22-0. 1х1Х2;

>'4=390+102х | +40х2+74х,2-3х2:+44х1х2;

Исходя из полученных уравнений, описывающих зависимость свойств мелкозернистого бетона от дозировки его компонентов, были построены графики, приведенные на рис. 6- 9.

Введение в мелкозернистый бетон высокоактивного метакаолина оказывает влияние на его прочность на сжатие. Так, из рисунка 6 видно, что кривая 1, показывающая прочность бетона на сжатие при расходе метакаолина 82,5 кг/м'(15% от массы цемента), полностью лежит выше кривой 2, показывающей прочность на сжатие при расходе метакаолина 55 кг/м'(10% от массы цемента), которая в свою очередь располагается выше кривой 3, показывающей прочность на сжатие при его расходе 27,5 кг/м'(5% от массы цемента). Следовательно, прочность мелкозернистого бетона на сжатие при постоянном расходе цемента, равном 550кг/м\ возрастает с увеличением дозировки метакаолина, однако его содержание необходимо ограничивать 15 % от массы цемента, т.к. при добавлении его в больших количествах он сильно повышает водопотребность бетонных смесей, а также может вызвать коррозию стальной арматуры из-за

Также на графиках, изображенных на рис.1 можно видеть, что при введении гидрофобизируюшей добавки «СОФЭКСИЛ-40» мелкозернистый бетон показывает небольшой стабильный прирост прочности только при самой высокой концентрации метакаолина. Например, при концентрации метакаолина 15% прирост прочности мелкозернистого бетона на сжатие составил 4% при расходе гидрофобизирующей добавки 0,2% от массы вяжущего.

При построении зависимости прочности мелкозернистого бетона на растяжение при изгибе от содержания метакаолина и гидрофобизатора наблюдаются те же закономерности, (рис. 2).

Р.и'.хид (мдрофооюптира. N

Рис 1. Зависимость прочности на сжатие

мелкозернистого бетона от расхода гидрофобизатора «СОФЭКСИЛ - 40» при различных расходах высокоактивного метакаолина ы % от массы цемента: 115%, 2-10%, 3-5%.

.'.пнитяглфлпмытпйя Чптмагсыяяжукиич,"

Рис 2. Зависимость прочности на растяжение при изгибе мелкозернистого бетона от расхода гидрофобизатора «СОФЭКСИЛ - 40» при различных расходах высокоактивного метакаолина в % ог массы цемента: 1-15%, 2-10%, 35%.

Одним из самых важных факторов, влияющих на экспуатационные свойства и долговечность пиротехнического бетона, является его водонепроницаемость. Чем больше водонепроницаемость бетона, тем меньшее воздействие оказывает на него как сама вода, так и растворенные в ней агрессивные вещества. Метакаолин является микронаполнителем и имеет высокую удельную плошадь поверхности достигающую 15м7г и выше. Введение метакаолина в мелкозенистый бетон повышает его плотность, а следовательно и водонепроницаемость. Из рис. 3 видно, что при дозировках высокоактивного метакаолина 5 и 10% от массы цемента водонепроницаемость мелкозернистого бетона остается примерно на одинаковом уровне, однако при увеличении дозировки метакаолина до 15% наблюдается рост водонепроницаемости практически в 2 раза. Также видно, что увеличение дозировки гидрофобизирующей добавки с 0.08% до 0,2% от массы цемента приводит к росту водонепроницаемости МЗБ в среднем на 20-40% в зависимости от концентрации высокоактивного метакаолина и в точке максимума составляет 340 с/см', что соответствует классу бетона по водонепроницаемости \У20.

В климатических условиях Российской Федерации важнейшим показателем долговечности бетона, в том числе и гидротехнического, является его морозостойкость. Она зависит от многих факторов, в числе которых прочность бетона, его плотность, водонепроницаемость, гранулометрический состав использованных заполнителей, характер пористости, тип и размеры пор и др. Из рис. 4 видно, что при увеличении концентрации метакаолина морозостойкость мелкозернистого бетона возрастает, что можно объяснить значительным уплотнением микроструктуры бетона, а также с ростом его прочности. Также на графиках, изображенных на рис. 9 видно, что увеличение концентрации гидрофобизирующей добавки «СОФЭКСИЛ - 40» приводит к росту морозостойкости МЗБ на 30 - 40 % в зависимости от расхода высокоактивного метакаолина. При дозировке метакаолина 15% и дозировке гидрофобизатора 0.2% от массы вяжущего морозостойкость разработанного мелкозернистого бетона превышает 650 циклов, что соответствует его марке по морозостойкости Р600.

Рис 3. Зависимость водонепроницаемости

мелкозернистого бетона от расхода гидрофобизатора «СОФЭКСИЛ - 40» при различных расходах высокоактивного метакаолина в % от массы цемента: 115%. 2-10%, 3-5%.

Рис 4. Зависимость морозостойкости мелкозернистого бетона от расхода гидрофобизатора «СОФЭКСИЛ - 40» при различных расходах высокоактивного метакаолина в % от массы цемента: 115%, 2-10%, 3-5%.

На основе математической модели были разработаны несколько различных составов МЗБ с целью изучения влияния органоминеральных модифицирующих добавок на его микроструктуру (табл. 13). Основными показателями микроструктуры являются средняя плотность, водопоглощение, общая пористость, объем открытых пор, показатель среднего размера открытых капиллярных пор, показатель однородности размеров пор.

15

Таблица 13.

Экспериментальные составы бетона._

№№ составов Состав бетона, кг/м'

ц П В СП вмк ГФ

№1 (контрольный) 550 1500 150 22(1,2%) - -

№2 550 1417,5 150 22(1,2%) 27,5(5%) -

№3 550 1417,5 150 22(1,2%) 82,5(15%) -

№4 550 1417,5 150 22(1,2%) 82,5(15%) 1,1(0,2%)

Примечание. Ц-цемент, П-песок, В-водя, СП-суперпластификатор «Хнмком Ф1», ВМК-высокоактнвнын метакаолнн, ГФ-гндрофобнзатор «СОФЭКСИЛ - 40».

Результаты лабораторных исследований приведены в табл. 14 и на рис. 9.

Таблица 14.

№№ соста вов Возрас т бетона, сутки Средняя плотное ть кг/м' Водопог лощение бетона. % по массе Общая пористост ь. По, % Объем открыты х пор, П„,.% Показатель среднего размера капиллярн ых пор, Хг Показатель однородности размеров открытых капиллярных пор, а

№1 28 2140 4,2 16,8 9,0 0,74 0,61

№2 2188 3,8 16,3 7,4 0,60 0,68

№3 2260 2,9 13,2 6,4 0,54 0,76

№4 2272 2,4 13.0 5,9 0,56 0,77

Из экспериментальных данных, приведенных в табл. 14 и на рис. 5, видно, что наибольшую плотность, а также наименьшую открытую пористость 5,9% и. как следствие, наименьшее водопоглощение по массе имеют образцы мелкозернистого бетона состава №4, содержащие высокоактивный метакаолнн и кремнипорганический гидрофобизатор в количествах 15% и 0,2% от расхода цемента соответственно. Это объясняется тем, что при введении в бетон микронаполнителя, его зерна заполняют межзерновые пустоты и уплотняют структуру цементного камня, а гидрофобизатор делает часть общего объема пор условно-закрытыми. Следует отметить, что гидрофобизатор «СОФЭКСИЛ - 40» не оказывает существенного влияния на общую пористость бетона, однако значительно снижает объем открытых пор, и. тем самым, уменьшает водопоглощение бетона. Следовательно можно сделать вывод. что введение органоминеральных модифицирующих добавок: суперпластификатора «Химком Ф-1», высокоактивного метакаолина и кремнийорганического гндрофобизатора «СОФЭКСИЛ - 40» в мелкозернистый пиротехнический бетон приводит к уменьшению не только общего объема пор, но и объема открытых капиллярных пор, что положительно сказывается на повышении его морозостойкости и долговечности. Также из результатов проведенных исследований видно, что мелкозернистые пластифицированные бетоны, структура которых модифицирована органическими и минеральными добавками, имеют меньший средний размер капиллярных пор и более однородные по размерам поры по сравнению с контрольным составом.

12 3 4

Номер состава МЗБ

Рис.? Влияние органоминеряльных модифицирующих добавок на уплотнение структуры мелкозернистого гидротехнического бетона.

Можно считать, что в цементном тесте или в хорошо уплотненной бетонной смеси практически все межзерновое пространство заполнено водой затворения. Если в процессе формирования структуры цементного камня часть воды испаряется, то объем, ранее занимаемый водой, образует воздушные поры. Это подтверждается фотографиями микроструктуры мелкозернистого гидротехнического бетона (рис. 6). На фотографиях можно наблюдать, что добавление высокоактивного метакаолина в качестве микронаполнителя уплотняет структуру бетона, тогда как структура контрольного образца остается рыхлой. Также можно заметить равномерное распределение пор однородного размера по всему объему образца и распределение частиц гндрофобизатора по внутренней поверхности пор, которые тем самым препятствуют проникновению воды в бетон и увеличивают водонепроницаемость и морозостойкость бетона.

а) б)

Рис 6. Структура цементного камня мелкозернистого бетона в возрасте 28 суток увеличение х150 а - без добавок, б- с добавкой высокоактивного метакаолина в количестве 15% ог массы вяжущего и гндрофобизатора «СОФЭКСИЛ-40» в

количестве 0,2%.

На спектрограммах можно видеть увеличение концентрации оксида алюминия как следствие присутствия в составе бетона высокоактивного метакаолина, который способствует связи растворимого пшроксида кальция в менее растворимые соединения (рис 7 и 8).

Рис. 8 Спектрограмма образца пластифицированного мелкозернистого бетона модифицированного добавкой высокоактивного метакаолпна н гидрофобизатора «СОФЭКСИЛ-40» в количествах 15% и 0,2% от массы цемента соответственно в возрасте 28 суток

газраоотанныи состав мзь предназначается для облицовки и ремонта сооружений, следовательно, мелкозернистая бетонная смесь должна будет укладываться тонкими слоями толщиной 10-30 мм. При такой толщине слоя бетона высок риск возникновения в нем трещин в результате усадочных деформаций, что может привести к преждевременному выходу конструкции из строя или снизить эффективность произведенного ремонта. Для оценки величины деформаций усадки бетона использовались следующие составы:

• контрольный состав - крупнозернистый пластифицированный бетон класса В 40.

• состав №1 - пластифицированный МЗБ класса В 40 ;

• состав №4 - разработанный пластифицированный гидротехнический МЗБ класса В40 модифицированный добавкой метакаолина и гидрофобизатора;

Результаты испытаний приведены в табл. 15.

Таблица 15

Результаты испытаний бетонов на величину усадочных деформаций.

Контрольный состав Состав .N'1 Состав Хг4

Срок твердения абсолютная усадка мм. относительная у салка %. абсолютная усадка мм. относительная усадка %. абсолютная усадка мм. относительная у садка %.

1 0,122 0.08 0,106 0.07 0,066 0,04

2 0,170 0.11 0.151 0,09 0,087 0,05

Э 0,199 0.12 0,175 0.11 0.096 0,06

5 0.206 0,13 0.181 0,11 0.099 0,06

7 0,206 0,1.4 0,186 0,12 0,099 0.06

14 0,214 0.13 0.191 0.12 0.102 0,06

28 0.214 0,13 0,202 0.13 0,102 0.06

42 0,214 0,13 0.202 0.13 0,102 0.06

Рис. 7 Спектрограмма образца пластифицированного мелкозернистого бетона (контрольного образца) в возрасте 28 суток

Пз приведенных результатов испытаний видно, что образцы разработанного состава №4 менее подвержены усадке, нежелн образцы контрольного состава п состава .Val, что дает возможность использования данного МЗБ в тонкослойных конструкциях. Следовательно, разработанный МЗБ возможно и целесообразно применять в качестве облицовочного либо ремонтного состава. При этом количество и размер усадочных трещин будут минимальными.

Для бетона, используемого в строительстве и ремонте речных гидротехнических сооружений наиболее важна стойкость к коррозии выщелачивания. Для оценки коррозионной стойкости бетона использовались следующие составы: • состав №1 - пластифицированный МЗБ класса В 40:

■ состав JVü4 - разработанный пластифицированный гидротехнический МЗБ класса В40 модифицированный добавкой метакаолина и гидрофобизатора;

Результаты испытаний приведены в табл. 16

Таблица 16

Состав №1 (контрольный) Состав JVi4

Предел прочности на сжатие до начала испытаний. МПа 54,8 56,7

Предел прочности на сжатие после воздействия агрессивной среды в течение месяца, МПа 52,1 58,3

Изменение предела прочности на сжатие, % -4,9 +2.8

Предел прочности на растяжение при изгибе до начала испытании, МПа 8.1 8.7

Предел прочности на растяжение при изгибе после воздействия агрессивной среды в течение месяца, МПа 7.9 9,2

Изменение предела прочности на растяжение при изгибе,% -2,4 +5.7

Масса образца в сухом состоянии до начала испытании, г. 546 581

.Масса образца в сухом состоянии после воздействия агрессивной среды в течение месяца, г. 535 580

Потеря массы образцов, % 2,01 0,17

По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод, что образцы, изготовленные из разработанного модифицированного МЗБ, имеют повышенную стойкость к коррозии выщелачивания. За счет присутствия в составе разработанного МЗБ высокоактивного метакаолина в возрасте старше 28 суток продолжается набор прочности

бетона даже в агрессивной среде. При этом потеря массы минимальна. Из этого следует вывод, что МЗБ разработанного состава обладает повышенной стойкостью к коррозии выщелачивания и его целесообразно применять при строительстве и ремонте речных гидротехнических сооружений.

Опытно-промышленная апробация произведена по разработанным рекомендациям по проектированию состава и получению высокоэффективного мелкозернистого модифицированного бетона. В маке 2014 г была выпущена опытная партия бетона разработанного состава общим объемом 24м\ и применена при реконструкции моста через реку Воря в Московской области. Применение разработанного высокоэффективного модифицированного мелкозернистого бетона позволило получить экономический эффект за счет увеличения срока безремонтной эксплуатации в размере 1986,33 руб. на м" в ценах 2014 года по сравнению с тяжелым бетоном.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

• Обоснована возможность создания высокоэффективного модифицированного МЗБ путем совместного применения модификатора состоящего из суперпластификатора, добавки высокоактивного метакаолина, а также эффективного кремнийорганического гидрофобизатора.

• Определены зависимости основных характеристик бетона от расхода компонентов модификатора МЗБ.

• Получен МЗБ, имеющий прочность при сжатии 55 МПа. марку по водонепроницаемости XV20, и марку по морозостойкости Е600.

• На основе полученных закономерностей разработаны рекомендации по проектированию состава эффективного МЗБ.

• На основе проведенных экспериментов с помощью метода математического планирования оптимизирован состав МЗБ предназначенного для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений.

• Экспериментально подтверждено, что разработанный модифицированный МЗБ, имеет лучшие структурные характеристики, по сравнению с пластифицорованным МЗБ, не содержащим уплотняющие и гидрофобизирующие добавки, общую пористость и объем открытых пор на 20%, а также меньший показатель среднего размера пор.

• Разработана технология получения МЗБ с использованием разработанного модификатора.

• С помощью исследований проведенных с использованием растрового электронного микроскопа доказано значительное уплотнение структуры модифицированного МЗБ по сравнению со структурой контрольных образцов.

• Методом рентгенофазового анализа доказано увеличение количества гидросиликатов и гидроалюминатов кальция в МЗБ, за счет использования в качестве компонента модификатора высокоактивного метакаолина

• Произведено опытно промышленное внедрение результатов исследований, а также дано технико-экономическое обоснование эффективности применения разработанного модифицированного МЗБ в качестве бетона для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений. При ремонте и реконструкции речных гидротехнических сооружений в результате замены обычного тяжелого бетона на разработанный МЗБ экономический эффект в ценах 2014 года составляет 1986.33 руб. на 1м2 поверхности, за счет увеличения срока их безремонтной эксплуатации

Список публикаций, в которых изложены основные положения работы:

1. С 13. Ллсксашин. Ы1 Булгаков «Современные способы повышения эксплуатационных показателей мелкозернистых бетонов, предназначенных для облицовки гидротехнических сооружений»// Сборник трудов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» М.: Изд-во «КЮГ» 2012 -С.13-14.

2. C.B. Алексашин, Б.И. Булгаков Получение мелкозернистых бетонов с высокими ¿жсплуатииионными показателями .7 Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры. - М.: Изд-во «КЮ1 ». 2012. - С. 12-13.

3. C.B. Алексашин, Б.И. Булгаков «Мелкозернистый бетон для гидротехнического строительства модифицированный комплексной органоминеральной добавкой»

Вестник МГСУ 8/2013 М.: Изд-во «АСВ»2013 - С. 97-103

4. С В. Алексашин. Б.И. Булгаков, М.Н. Попова «Повышение эксплуатационных свойств пластифицированных гидротехнических мелкозернистых бетонов. Подбор оптимального состава»// Известия ЮФУ. Технические науки 01/2014 Таганрог: Изд-во «Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге» 2014 - С. 195-201

5. C.B. Алексашин, Б.И. Булгаков «Поиышепие эксплуатационных свойств пластифицированных гидротехнических мелкозернистых бетонов путем модифицирования их микроструктуры органоминеральными добавками» /У Материалы международной заочной научно-технической конферненцни «Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании» Тверь : Мзд-во Тиерского государственного технического университета 2014—С. 4-8

6. C.B. Алексишнн, Б.И. Булгаков «Получение высокоэффективных гидротехнических мелкозернистых облицовочных бетонов»// Материалы международной научной конференции молодых ученых «Перспективные материалы в строительстве и технике» Томск: Изд-во Томскою государственного архитектурно-строительного университета 2014-С. 6-9

14-14502

••,.',№<чи||Ы'ьм I. <.<ЬАН» ,у,сква VI' ' .ыч1«0Ргиа:1. ■■ ''Л

Пропущены стр. 12,13

2014158634