автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение трещиностойкости слоистых бетонных изделий с декоративным полимербетонным защитным слоем

На правах рукописи

МОИСЕЕНКО Ксения Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СЛОИСТЫХ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ДЕКОРАТИВНЫМ ПОЛИМЕРБЕТОННЫМ ЗАЩИТНЫМ СЛОЕМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011

005047296

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Алимов Лев Алексеевич

- доктор технических наук, профессор Магдеев Усман Хасанович

- кандидат технических наук, доцент Суханов Михаил Александрович

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт Московского строительства «НИИМосстрой»

Защита состоится « ¿У» А/ОЛд/ьЛ 2011 года в часов на

заседании диссертационного совета Д212.138.02 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, в аудитории № 419 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Слоистые защитно-декоративные изделия с полимербетонным слоем, имитирующие горные породы, нашли широкое применение для дорожных и тротуарных покрытий, а также для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений. Однако в ряде случаев слоистые декоративные бетонные изделия в неблагоприятных условиях эксплуатации выходят из строя вследствие их разрушения в виде растрескивания и отслоения полимербетонного слоя. Главной причиной разрушения в этом случае является низкая прочность сцепления и несовместимость температурно-влажностных деформаций полимербетонного слоя и основного бетона в водонасыщенном состоянии при замораживании.

Решение задачи повышения трещиностойкости слоистых декоративных бетонных изделий заключается в обеспечении совместной работы слоев путем регулирования рельефа контактной зоны, учета температурно-влажностных деформаций, прочностных и деформативных свойств слоев, их толщины и протяженности контакта между ними.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Цель и задачи исследований

Основной целью диссертации является получение слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием для изделий, работающих в суровых условиях эксплуатации как структурно-целостные материалы.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обоснование получения трещиностойких изделий из слоистых бетонов с декоративным полимерным защитным покрытием;

- получение зависимостей прочностных и деформативных свойств полимерных покрытий и основного бетона от главных факторов;

- разработка составов и способа изготовления слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием;

- исследование физико-механических свойств слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием;

- разработка рекомендаций по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием и их опытно-промышленное опробование.

Научная новизна

- обосновано повышение трещиностойкости изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем путем обеспечения совместной работы слоев регулированием рельефа контактной зоны из-за «вкрапливания» в нее зерен заполнителя и создания высокоплотного бетонного основания с низким дилатометрическим эффектом;

- с использованием математического метода планирования эксперимента получены многофакторные модели относительных деформаций слоистой системы от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и относительных деформаций бетонного основания, позволяющие сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния вышеуказанных факторов;

- установлено, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта, если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности;

- установлено влияние состава и структуры бетонного основания на температурно-влажностные деформации в интервале изменения температуры от +20 до -60°С на величину аномального расширения бетона при температуре -5 — -10°С и показано, что для высокоплотного бетона величина дилатометрического эффекта является незначительной, что обусловливает повышение монолитности строительного композита;

- показано, что у полимербетонов в отличие от бетонного основания температурно-влажностные деформации в воздушно-сухом и водонасыщенном

состоянии в интервале температуры от -60 до +20°С не имеют аномальных расширений в области отрицательной температуры;

- экспериментально установлена кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона, которая является интегральной характеристикой, связанной с размером пор и выявляющая два характерных участка льдообразования в интервале температуры -5 - -10 °С и -35 - -45°С, различающиеся по эффективному размеру пор на один или два порядка.

Практическое значение

Разработана технология получения трещиностойких слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для изделий, работающих в суровых климатических условиях. Технология включает в себя изготовление полимербетонного слоя с «вкрапливанием» в него зерен заполнителя и последующей укладки слоя высокоплотного бетона.

Разработаны слоистые изделия со следующими характеристиками слоев:

- полимербетонный: истираемость - 0.22 г/см2 , - морозостойкость - РЗОО, ударная вязкость — 22 Кдж/м2, прочность при сжатии — 72 МПа, растяжение при изгибе - 20,5 МПа, адгезии к бетонной поверхности - 3.5 МПа, предельная растяжимость - 15.10"5, сброс прочности в 5% ном растворе НС1 — 3.1 %;

- бетонный: кубиковая прочность - 40 МПа, призменная прочность -30 МПа, нижняя и верхняя границы трещинообразования — соответственно 1,4 МПа и 21,3 МПа, модуль упругости — 26.103 МПа, предельные деформации сжатия и растяжения - соотвественно 14,6 МПа и 1,4 Мпа , коэффициент интенсивности напряжения - Кс=2.53 Мн/м3'2, морозостойкость Б300.

Внедрение результатов исследования

Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем осуществлялось на предприятии ООО «Нивелир-МПК». Была выпущена партия объемом 200 м2.

Апробация работы.

Основные положения результатов работы докладывались на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ молодых

ученых МГСУ в течение 2007-2011 гг, на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности», проводимых в рамках реализации федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.» в течение 2007 - 2011 гг.

На защиту выносятся

- основные положения о повышении трещиностойкости изделий из слоистых декоративных бетонов с полимерным защитным слоем;

- зависимости изменения состава, структуры и свойств полимербетонного слоя и бетонного основания от главных факторов;

- многофакторные зависимости деформаций слоистой системы от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и бетонного основания с учетом температурно-влажностных деформаций, прочностных и деформативных свойств слоев;

- кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона в интервале температуры от 0 до - 60°С;

технология изготовления слоистых изделий с повышенной трещиностойкостью в суровых условиях эксплуатации;

- результаты опытно-промышленного опробования.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы 125 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 36 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В современном производстве декоративно-отделочных материалов, предназначенных для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений, а также для дорожных и тротуарных покрытий, все шире применяются слоистые декоративные композиты с защитным полимербетонным слоем. Натурные наблюдения показывают, что в ряде случаев слоистые декоративные бетонные изделия в неблагоприятных условиях эксплуатации разрушаются в виде растрескивания и отслоения полимербетонного слоя, вызванного

несовместимостью температурно-влажностных деформаций полимербетонного слоя и основного бетона при замораживании. Бетонное основание в водонасыщенном состоянии при температуре -5 - -10°С имеет аномальное расширение, а полимербетонный слой сжатие. В этом случае декоративно-отделочный композит находится в напряженном состоянии, которое может вызвать следующие виды разрушений: растрескивание поверхностного полимербетонного слоя, сдвиг его относительно бетонного основания, а также отслоение от бетонного основания из-за давления льда, образовавшегося под плотным поверхностным слоем.

В связи с тем, что бетонное основание является капиллярно-пористым телом, то при увлажнении оно может иметь значительные влажностные деформации, а при замораживании аномальное расширение в интервале температуры -5 - -10°С. Величина этой деформации характеризуется «приведенным удлинением», представляющим собой разность деформаций высушенного до постоянной массы бетона и в насыщенном водой состоянии.

Величина «приведенного удлинения» зависит от объема капиллярных пор, чем выше пористость, тем больше «приведенное удлинение» и больше разность деформаций между полимербетонным слоем и бетонным основанием. В этом случае возникающие напряжения приводят к отслоению и растрескиванию поверхностного слоя.

Для обеспечения монолитности слоистого композита необходимо использовать бетонные основания с низкой пористостью и, следовательно, с минимальным аномальным расширением, которое является основной причиной возникновения напряженного состояния в контактной зоне между слоями.

Для повышения трещиностойкости, снижения возможности отслоения полимербетонного слоя и обеспечения совместной работы слоев необходимо увеличить площадь контактной зоны путем «вкрапливания» в нее зерен заполнителя.

При этом необходимо было изучить влияние вида связующего и наполнителя на прочностные и деформативные свойства покрытия, произвести выбор компонентов и провести подбор составов, обеспечивающих требуемые

физико-технические свойства полимербетонов, и разработать технологию их получения.

Введение в состав полимерных композиций различных красителей и пигментов позволяет получать материал с заданными цветовыми и фактурными параметрами, не уступающими по своим свойствам природному камню. В качестве защитно-декоративного полимерного слоя при использовании декоративно-облицовочного материала могут использоваться полимербетонные композиции, состоящие из полимерных вяжущих, тонкодисперсных наполнителей, красителей и модификаторов составов. В качестве основных вяжущих веществ могут быть использованы эпоксидные, полиэфирные, акриловые и полиуретановые смолы.

Для установления необходимых зависимостей, обеспечивающих монолитность слоистых изделий в различных эксплуатационных условиях, были использованы следующие материалы.

В качестве вяжущих веществ для декоративных бетонов были использован портландцемент марки М500 (ЦЕМ I 42,5Н) Ульяновского завода и марки М500 (ЦЕМ142,5Н) Катавского завода, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10178-85, Свойства цементов представлены в табл.1, химический состав клинкера в табл. 2, минералогический состав в табл. 3.

Таблица 1

Характеристики используемых цементов

№ п/п Наименование цементов Активность, МПа Сроки схватывания, ч. мин. Удельная поверхность, м2/кг Нормальная густота, %

начало конец

1 Ульяновский 49,6 Зч. 25мин 4ч. Збмин. 352 26,5

г Катавский 45.0 2ч. Зч. 12 мин. 347 27.47

Таблица 2

Химический состав клинкера

№ п/п Наименование цементов Содержание оксидов, %

8102 СаО А120З Ре20з Ка20 К20 50з к2о 11Ш1

1 Ульяновский 20,80 65,25 5,90 4,35 0,92 0,35 0,82 1,35 0,89 0,79

2 Катавский 21,12 64,20 5,79 4,47 2,03 0,33 0,97 0,24 0,97 0,63

Минералогический состав клинкера

№ п/п Наименование цементов Содержание основных минералов. %

C3S C2S СзА C4AF

1 Ульяновский 57,0 17,0 8,0 13,0

2 Катавский 51,95 21,35 7,76 13,6

В качестве органических связующих были использованы:

- эпоксидная смола ЭП-2146. Прочность на сжатие - 85 МПа, прочность при растяжении - 25,5 МПа,

- полиэфирная смола ПН-1.Прочность на сжатие - 65 МПа, прочность при растяжении -12,5 МПа,

- полиуретановый компаунд (ПУ). Прочность на растяжение - 10,5 МПа.

- полиакриловая смола АС. Прочность на сжатие - 74 МПа, прочность на растяжение — 20,5 МПа,

Был применен песок Люберецкого карьера с модулем крупности М1(р = 1,35 и содержанием пылевидной фракции (0-0,14 мм) в количестве 5%. Рассев песка по фракциям представлен в табл. 4.

Таблица 4

Рассев кварцевого песка по фракциям

Номера сит, мм Остатки на ситах, %

Частные Полные

1,25 5,0 5,0

0,63 10,0 15,0

0,314 15,0 30,0

0,16 55,0 85,0

Менее 0,16 15,0 100,0

Модуль крупности Мкр. = (А],25 +Ао,63 + Ао.315 + Ао,1б)/100 Мкр. = (5 + 15 + 30 + 85)/100 = 1,35 Химический состав песка представлен в табл. 5.

Таблица 5

Химический состав песка Люберецкого карьера

Содержание оксидов, %

Si02 АЬОз Fe203 СаО MgO so3 r2o п.п.п. Si02+Al203

70-100 0-12 0-5 0-8 0-5 0-6 0-2 1,26 2,7

Щебень гранитный Токовского месторождения с насыпной плотностью -1290 кг/м3, насыпной плотностью в виброуплотненном состоянии - 1454 кг/м3, плотностью - 2,5 г/см3, водопоглощением по массе - 0,58% и водопотребностью -3,1%.

В качестве пластифицирующей добавки в соответствии с ГОСТ 24211-91 «Добавки для бетонов. Общие технические требования» был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), соответствующий ТУ 6-36-0204229-625-90, произведенный п/о «Оргсинтез» в г. Новомосковск Тульской области и состоящий из продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида.

В качестве пигментов были использованы: сурик железный (красный) с удельной поверхностью около 980 м2/кг, черный - технический углерод марки ПМ-15 с удельной поверхностью 1460 м2/кг, белый - мел, желтый - охра, отвечающие требованиям ГОСТ 15825-70. Эти пигменты имеют высокую химическую стойкость и светостойкость.

Для разработки составов защитно-декоративного слоя, имитирующего природный камень, были проведены систематизированные исследования физико-механических и эксплуатационных свойств полимербетонных композиций, а также их декоративности с целью создания защитно-декоративного слоя на бетонном основании, осуществив выбор оптимальных вяжущих и составов на их основе.

Изготовление образцов полимербетонов производилось следующим образом. Перемешивание компонентов состава осуществлялось в лабораторном смесителе периодического действия объемом 3 л. Время перемешивания компонентов смеси варьировалось от 5 до 10 минут до получения однородной гомогенной массы при отсутствии расслоения смеси после перемешивания.

Отверждение полимербетонов происходило при комнатной температуре с применением стандартных отвердителей и катализаторов отверждения (для смесей на основе эпоксидной, полиэфирной и полиуретановой смолы) или на воздухе (для смесей на основе акриловой смолы), где инициатором отверждения является кислород воздуха или пары воды.

Испытание образцов проводилось в возрасте 7 суток после начала отверждения и нормального условия их хранения.

Образцы-балочки из полимербетона размером 4x4x16 см были испытаны по ГОСТ 10180 на прочность при сжатии и на растяжение при изгибе. Водопоглощение, водостойкость и химстойкость композиций в 5% растворах соляной кислоты, едкого натрия и хлористого натрия определялись на образцах полимербетонов толщиной 4-5мм по ГОСТ 13087-81. Водо- и химстойкость определялись по сбросу прочности на растяжении при изгибе образцов после их выдержки в течение 24-х часов в воде или агрессивных средах по сравнению с прочностью контрольных образцов, хранившихся в естественных условиях.

В табл. 6-9 приведены основные физико-механические и эксплуатационные свойства полимербетонных композиций на основе выбранных смол.

Таблица 6

Свойства полимербетонных композиций на основе эпоксидной смолы ЭП-2146

№ п/п Состав композиции масс.ч. Прочность на сжаше, МПа Прочность иа растяжение, МПа Водопоглощение, %масс. Водо-и химстойкость за 24 часа, % сброса прочности Износостойкость, г/см"

за 24 часа за 7 суток в воде в 5% р-ре НС1 в 5% р-ре ИаОН в 5% р-ре ИаС1

1. ЭС+ отвердатель без наполнителя 85,0 25,5 0,3 0,55 3,2 4,3 4,0 3,5 0,25

2. ЭС(100)+напалнитель (50)+отиердшвль 82,0 23,2 0,21 0,44 3,0 4,1 3,7 3,4 0,21

3. ЭС(100) + наполнигбиь(100) -Нлвсрдитель 82,7 24,0 0,18 038 22 за 2,7 2,6 0,18

4. ЭС(100)+ наполнитель (150)+огаердитель 87,8 21Д 0,15 0,31 2,0 3,1 2Д 23 0,18

5. ЭС(100)*- наполнитель (200)+отвердтедь 97,2 35,6 0,1 ол и 2,7 2,6 1.8 0,19

6. ЭС(100)+ наполнитель (300)+отеердитель 75,4 23,0 0,25 0,28 2,5 3,2 2,8 2,7 аи

Свойства полимербетонных композиций на основе полиэфирной смолы ПН-1

№ 1Й1 Состав композиции, масс. ч. Прочность на сжатие, МПа Прочность на растяжение, МПа Водопоглощ»-пие,%масс. Водо- и химстойсосгь за 24 часа, % сброса прочности Износостойкость, г/см2

за 24 часа за7 суток в воде в 5% р-ре НС1 в 5% р-ре НОН в5%р- ре КаС1

1. ПЭф+ опзердшель без наполнителя 65,0 12,5 0,55 0,9 4,4 5,5 5,5 4,8 0,3

2. ПЭф (100) +ШШОЛ-Ш1тель (50)+ сгизердатеиь 65,5 12,7 0,53 0,85 4,2 5,2 5,0 4,0 0,28

3. ПЭф (100) +напол- 1штель(100)т отаердигель 72,0 20,5 0,3 0,6 3,1 4,4 4,5 3,8 0,22

4. ПЭф(100)+-наполнигель(150)+ отвердитель 68,0 18,1 0,41 0,78 4,4 5,2 5,6 4,3 0,28

5. ПЭф(ЮО) тыадатштеиь (200) + отвердитель 54,5 10,2 0,52 0,92 5,0 5,5 5,8 4,9 0,35

Таблица 8

Свойства полимербетонных композиций на основе

полиуретанового компаунда (ПУ)

№ п/п Состав композиции, ыасс.ч. Прочность на растяжение, МПа Водопоглощение, %ыасс. Водо- и химстшкость за 24 часа, % сброса прочности Износостойкость, г/с&г

за 24 часа за 7 суток в воде в .5% р-ре НС1 в 5% р-ре КаОН в 5% р-peNaCl

1. ПУ + отвердшеяь без наполнителя 10,5 0,1 0,25 1,5 5,5 3,0 и 0,1

2. ПУ (100) тнаполнителъ (50) + отвердагедь 11.4 0,1 0,20 1,5 5,4 2,5 1,1 0,08

3. ПУ (100) -»-наполнитель (100) -Ютвердитель 12,0 0,07 0,1 1,0 5,0 2,0 0,09 0,06

4. ПУ (100) +1шпатшггеяь (150) + отвердитель 8,6 0,15 ОД 1,8 5,8 3,5 1,3 0,1

Свойства полимербетонных композиций на основе полиакриловой смолы АС

№ п/п Состав композиции, масс. ч. Прочность на сжаше, МПа Прочность на Водопоглоще ние,%масс. Водо- и хнмстойкость за 24 часа, % сброса прочности Износостойкость, г/см2

е,МПа за 24 часа за7 суток В 5% р-ре HCl в5%р-peNaOH в 5% р-ре NaCl

1. АС без наполнителя 74,0 20,5 од 035 24 2,5 ол 0,08

2. АС(100) + наполнитель (50) 65,6 77,8 0,45 0,81 4,2 43 24 0,15

3. АС(100) + наполнитель (100) 55,4 15,1 0,66 1,0 5,2 5,8 3,4 0,25

Примечание: во всех составах в качестве наполнителя использовался молотый

кварцевый песок.

В табл.10 приведены физико-механические и эксплуатационные свойства оптимальных составов.

Таблица 10

Оптимальные составы наполненных полимербетонных композиций

№ п/ п Вид полимербетонных композиций

Физико-механические и эксплуатационные показатели составов на основе ЭС на оспове ПЭФ ца основе ПУ на основе АС

1 Предел прочности при сжатии. МПа 97,2 72,0 - 74,0

2 Предел прочности на растяжение при изгибе, МПА 35,6 20,5 12,0 20,5

3 Водопоглошение за 7 суток, % масс. 0,2 0,6 0,1 035

4 Водостойкость за 24 часа, % сброса прочности U 3,1 1,0 3,6

5 Стойкость к 5% р-ру HCl, % сброса прочности 2,7 3,1 1,0 3,6

6 Стойкость к 5% р-ру NaOH, % сброса прочности 2,6 4.5 2,0 2,5

7 Стойкость к 5% р-ру NaCl, % сброса прочности 1,8 3,8 0,09 0.2

8 Изпосостойкость покрытий, г/см2 0,19 0,22 0,06 0,08

9 Адгезия к бетоппой поверхности, МПа 5,5 3,8 1,9 2,8

На основании экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что приготовленные по вышеописанной методике полимербетонные покрытия на бетонном основании обладают всем требуемым комплексом свойств, предъявляемых к защитно-декоративным покрытиям, а по сравнению с покрытием полов на основе бетона на цементном вяжущем во многом превосходят их. Предварительная оценка декоративных свойств полимербетона показала, что они практически могут имитировать текстуру природного камня.

Для определения свойств покрытий были изготовлены образцы из полимербетонов на основе ЭС смолы, выбранной на основании результатов, приведенных в табл. 10.

Полимербетонные (покрытия) были нанесены на бетонные образцы, приготовленные заранее. Полимербетон наносили толщиной 2 мм для полиакриловой смолы и 3 мм для полиуретановой на поверхность образцов. Образцы отверждались в течение 7 дней при температуре 20°С в естественных условиях при влажности 70%.

После отверждения образцы подвергались испытаниям на истираемость, водостойкость, морозостойкость, стойкость к удару, а также на стойкость к УФ излучению. Результаты испытаний приведены в табл. 11

Таблица 11

Результаты испытаний

Вид покрытия Истираемость, г/см2 Морозостойкость, отслоепие покрытия после 300 циклов в солях Ударная вязкость, Кдж/м2 Стойкость к УФ излучению, после 28 циклов Водойстой-кость, % за 7 суток

Фрагмент с ЭПОКСИДНЫМ покрытием 0,05 отсутствует 22,5 Без изменения 0,5

Фрагмент с полиакриловым покрытием 0,08 отсутствует 14,2 Без изменения 0,4

Как видно из данных, приведенных в табл. 11, изделия с полимербетонным покрытием обладают хорошей сопротивляемостью к истиранию, значительно ниже истираемости цементных бетонов. Нанесение полимербетонов позволяет значительно (в 3-4 раза) увеличить ударную прочность образцов, причем большая эластичность покрытия из эпоксидной смолы повышает ударную прочность материала больше, чем аналогичных покрытий из полиакриловой смолы.

Испытания фрагментов изделий показывают хорошую морозостойкость покрытий и стойкость к УФ излучению. Так, после 300 циклов попеременного замораживания-оттаивания образцов (замораживание происходило при -50°С в солевых растворах) не наблюдается отслоения полимербетонных покрытий от

бетонного основания и нарушения целостности покрытия после их испытания к действию УФ излучения. Изделия обладают высокой водостойкостью.

Для ускорения сроков твердения полимербетонов осуществлено отверждение полимерных композиций при повышенной температуре. Установлено, что увеличение температуры отверждения полимербетонных композиций до 70 - 80°С позволяет получать готовое изделие через 4-6 часов после начала отверждения композиций.

На полимербетонных образцах были определены коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР) и температурно-влажностные деформации. Результаты измерений представлены на графике (рис.1 а).

В результате проведения исследований установлено, что КЛТР декоративных полимербетонов с коэффициентом наполнения Кн =2-4 в интервале температуры от -60 до +20°С составляет 1,3*10"5. Установлено также, что в разработанных составах полимербетонов отсутствуют аномальные деформации расширения при отрицательной температуре. Это свидетельствует об их высокой морозостойкости, что подтверждается прямыми испытаниями этих материалов.

Однако истираемость полимербетонов далеко не однозначно связана с соответствующими показателями связующего и наполнителя. В табл. 12 приведены показатели истираемости полимербетонов и различных видов наполнителей с разным коэффициентом наполнения.

Таблица 12

Показатели истираемости полимербетонов

Вид наполнителя Значение истираемости в г/см2 при Кн

2,0 2,5 3,0

Кварцевый песок 0,4 0,38 0,37

Гранитная крошка 0,33 0,32 0,35

Мраморная крошка 0,43 0.4 0,39

Крошка из стекла 0,68 0,65 0,66

Из табл. 12 видно, что наполнитель существенно влияет на истираемость полимербетонов. Наихудшей истираемостью обладают полимербетонные покрытия на гранитной крошке.

Для установления прочностных и деформативных свойств бетонов и были выработаны 11 составов бетона, приведенные в табл. 13.

Принятые составы обеспечивали получение 3 марок: М200, М250, М300. Для каждой марки бетона были выбраны 3-4 состава, отличающиеся удобоукладываемостью.

Исследование прочностных и деформативных характеристик бетонов проводилось на образцах-призмах размером 10x10x40 см и кубах 10x10x10 см.

Таблица 13

Составы исследуемых бетонов

№ составов Марки бетона Удобоукладываемость Цемент кг/м3 Вода кг/м' Песок кг/м3 Щебень кг/м3 В/Ц

1 200 50 с 262 175 684 1305 0,67

2 2 см 300 200 625 1261 0,67

3 8 см 330 220 580 1228 0,67

4 250 50 с 306 175 660 1290 0,57

5 2 см 341 195 609 1256 0,57

6 5 см 367 210 580 1228 0,57

7 8 см 385 220 551 1210 0,57

8 300 50 с 297 175 660 1290 0,59

9 2см 374 220 554 1219 0,59

10 5 см 527 310 477 1081 0,59

11 8 см 595 350 204 1030 0,59

Каждую призму перед испытанием на центральное сжатие центрировали по физической оси. Нагрузка на призмы давалась ступенями, равными 0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки с выдержкой на каждой ступени нагружения 5 мин. Измерение приращения продольных (Депрод) и поперечных (Дсщш) деформаций образцов производили дважды: в начале и в конце выдержки нагрузки на каждой ступени. Для этой цели использовались электротензодатчики активного сопротивления с базой 50 мм и электронный измеритель деформаций АИД-1М.

На образцах указанных составов определяли начальный модуль упругости как отношение нормального напряжения в бетоне (а) к его полной относительной продольной деформации ( при напряжении сжатия с = 0,2Кпр.

Деформативную способность бетонов оценивали по величинам полных относительных продольных и поперечных деформаций, определенных при

напряжениях сжатия соответствующих нижней и верхней (/?£) границам области образования микротрещин, а также при а= 0,9211пр.

Для определения Лг и Л} в процессе нагружения образцов производили измерение времени прохождения через бетон продольных ультразвуковых волн. Прозвучивание производилось с помощью прибора УКБ-1 по четырем направлениям: двум - перпендикулярным по отношению к сжимающей нагрузке и двум - диагональным.

Результаты исследования приведены в табл. 14.

Таблица 14

Свойства бетонов

№ и и Прочность при сжатии, МПа Параметры ыикротрещинообразова-ния, МПа Модуль упругости Е*10 МПа Предельные деформации, о-Ю''

кубиковая призменная НИЖНИЙ верхний сжатия растяже ння

2 22,1 18,3 7,14 13,63 22,5 13,0 1,2

5 27,5 21,2 8,69 15,9 25,2 13.5 1,2

9 34,1 28,0 12,42 21,33 15,7 14,2 1,4

Показатели склонности бетонов к растрескиванию приведены в табл.15

Таблица 15

Показатели склонности бетонов к растрескиванию

№№ составов Пористость, % Вязкость разрушения Кс, Мн/М3^2

2 15,6 2,38

5 15,2 2,54

9 16,8 2,53

- На рис. 16 представлены КЛТР и температурные деформации бетона, изготовленного на гранитном щебне. КЛТР бетона имеет незначительную аномалию при Т= -40.. .-60°С, что свидетельствует о наличии воды в очень мелких порах. Температурные деформации насыщенных водой контрольных образцов (кривая 2) имеют два характерных для цементных материалов дилатомических эффекта при Т= -5°С и при -35 - -45°С.

Рис. 1. Тепловлажностное расширение и КЛТР: а - полимербетонного покрытия, б - бетона на гранитном щебне

При замораживании насыщенного водой бетона при Т= -5 - -10°С вода замерзает в наиболее крупных порах. При этом большая часть воды переходит в лед. Увеличение объема замерзающей воды на 9% вызывает скачкообразное удлинение материала.

Фазовое состояние воды в бетонах при отрицательных температурах зависит от степени водонасыщения материала, температуры замораживания, а также от таких технологических факторов, как В/Ц, расход цемента, добавки ПАВ, условий и продолжительности твердения бетона и т.д.

Проведенные дилатометрические исследования позволили установить значения КЛТР и температурно-влажностных деформаций бетонов различных видов с различным количеством и качеством цементного камня в бетоне, кроме того, установлены причины напряженного состояния бетонов как в процессе их изготовления, так и эксплуатации.

При создании слоистого композитного материала, имеющего различные прочностные и деформативные характеристики, необходимо было обеспечить работу слоистого композита, как структурно-целостного изделия. Это может

быть достигнуто выбором оптимальных соотношений модулей деформаций, коэффициентов температурного линейного расширения, а также геометрических размеров слоев.

Условия монолитности слоистой системы, состоящей из бетонного основания и полимербетонного покрытия толщиной 5,10,15 мм, были рассмотрены на фрагментах плит размером 30x30x7 см, изготовленных путем укладки цементной бетонной смеси на предварительно изготовленный полимербетонный слой.

Для этого были использованы следующие материалы. В качестве полимерного связующего был использован полиэфирный олигомер марки ПН-1 (ОСТ-6-05-481-88), отвердитель перекись метилэтилкетона (ПМЭК, ТУ6-01-465-80) и ускоритель полимеризации нафтенат кобальта (НК, ТУ6-05-1075-86). В качестве наполнителя использовалась гранитная крошка с содержанием фракции менее 0,14 мм — 3%, 0,14-0,315мм - 10%, 0,315 - 2,5 мм остальное. Коэффициент наполнения состава был равен 2,5, что обеспечивало нормальную укладку и разравнивание полимербетонной смеси.

Для бетонного основания марки М300 использовались следующие материалы: портландцемент марки М500Д0, щебень гранитный фракции 5-20 мм, песок кварцевый с модулем крупности 2,3 и водопотребностью 7%.

Для оценки физико-механических свойств защитно-декоративного слоя полимербетона были изготовлены образцы размером 4x4x16 см из следующего состава в масс, частях: ПН-1-100, ПМЭК-2, НК-3 и гранитная крошка - 250. Через 3 суток твердения в нормальных условиях проводились испытания. Получены следующие показатели: средняя плотность - 1,89 г/см3, водопоглощение — 0,34%, предел прочности при растяжении при изгибе - 45 МПа, при сжатии - 109,3 МПа, значение истираемости — 0,32 г/см2.

Бетонное основание имело следующие показатели: прочность при растяжении - 3,3 МПа, при сжатии - 32 МПа, модуль упругости - 23,9-Ю3 МПа, предельные деформации: сжатия— 14,5* 10"', растяжения— 1,3*10"4.

Измерение температурно-влажностных деформаций слоистого материала с помощью тензометрических датчиков сопротивления, расположенных на

поверхностном полимербетонном слое фрагмента и на бетонном основании, производили через каждые 4-5°С при замораживании, что является наиболее жестким условием эксплуатации. Сравнение показаний датчиков свидетельствует о взаимном влиянии слоев на общую деформацию плиты. При понижении температуры бетонное основание удерживает деформации полимербетонного слоя. При образовании льда в интервале от -5 до -10°С происходит скачкообразное расширение бетона и поверхностный слой препятствует этому.

Таким образом, слоистая система в данном случае находится в напряженном состоянии и могут возникнуть следующие виды разрушения: растрескивание поверхностного слоя, сдвиг его, а также отслоение от бетонного основания из-за давления льда, образовавшегося под плотным поверхностным слоем.

Чтобы исключить отслоение поверхностного слоя в результате образования льда и сдвиг его относительно основания, при изготовлении полимербетонного слоя было осуществлено «вкралливание» зерен гранитного заполнителя. Эти зерна играют роль своеобразных «шпонок» между слоями композита. Площадь, занимаемая зернами, должна составлять не менее 50% площади контакта между слоями.

Были проведены исследования совместной работы слоев в композитах с различной толщиной поверхностного слоя и протяженностью контакта между слоями. Были получены зависимости с использованием математического метода планирования эксперимента относительных деформаций слоистой системы (Исс) от протяженности контакта между слоями (Ь, м), толщины поверхностного слоя (Ь.ОД м) и относительных деформаций бетонного основания (е 10"5). Факторы и уровни их варьирования представлены в табл. 16

Таблица 16

Уровни варьирования факторов

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

Натуральный вид Кодовый вид +1 0 -1

Протяженность контакта, м XI 0,5 0,4 03 0,1

Относительные деформации Х2 15 12,5 10 2,5

Толщина верхнего слоя, м хз 0,15 0,1 0,05 0,05

В результате вероятностно-статистической обработки экспериментальных данных была получена трехфакторная квадратичная модель относительной деформации слоистой системы:

Исс = 10,6 + 0,2 1 +2,2е -2,3 Ь + 0,1 е2-0,6Ь2 + 0,21е +0,1 Ш-0,бсЬ Уровень значимости при ведении статистических вычислений был равен 0,05, что соответствует доверительной вероятности 95%. Оценка полученного многофакгорного уравнения по критерию Фишера показала, что оно является адекватным.

Полученное уравнение позволяет сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния вышеуказанных факторов. Анализ показал, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае, если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности.

На основании полученной зависимости относительных деформаций слоистого композита, состоящего из бетонной матрицы и полимербетонного защитно-декоративного слоя, проведен анализ их монолитности с учетом толщины поверхностного слоя, протяженности контакта и относительных деформаций бетонного основания в насыщенном водой состоянии при замораживании.

Было установлено, что поверхностный полимербетонный слой на основе полиэфирной смолы имел предельное растяжение еп?еа —15 • 10~5, а относительные деформации аномального расширения бетонного основания (£„) при температуре -5 —10 °С различного состава марок по морозостойкости Б50, Б150, Б250 соответственно имели еа= 15«10~5; £п= 12,5'10-1, еа= 10«10"*5.

На рассматриваемом слоистом компоненте, состоящим из вышеуказанных материалов, были установлены условия монолитности в зависимости от величины

приведенного удлинения бетонного основания, толщины поверхностного

полимербетонного слоя и его протяженности (табл.17).

Таблица 17

Характеристики слоистого композита

№ L.M Н 0,1,м е • Ю-5 Исс'10"5

1 0,3 0,05 10,0 9,6

2 0,4 0,05 10,0 9,6

3 0,5 0,05 10,0 9,6

4 0,3 0,10 12,5 7,4

5 0,4 0,10 12,5 10,6

6 0,5 0,10 12,5 10,8

7 0,3 0,15 15,0 8,9

8 0,4 0,15 15,0 9,4

9 0,5 0,15 15,0 9,8

10 0,3 0,24 15,0 15,5

11 0,4 0,24 12,5 15,6

12 0,5 0,24 10,0 15,5

Составы слоистых композитов с 1 по 9 имеют деформации слоистой системы менее Исс=15»10~5, что обеспечит их монолитность при любых значениях указанных факторов. Для данного слоистого композита растрескивание наступит, когда деформации слоистого композита превысят предельную растяжимость поверхностного полимербетонного слоя 15»10"5(составы 10,11,12).

В результате обобщения экспериментальных исследований была получена критериальная зависимость длины шага между трещинами в слоистом композите (N), приготовлешгом на данных материалах:

N = 0,9-0,04^

В диссертации разработаны рекомендации по изготовлению декоративных бетонных изделий с поверхностным полимербетонным слоем, включающие в себя требования к материалам, оптимизацию составов бетонов, технологию изготовления и контроль качества изделий.

Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из слоистых декоративных бетонов с полимербетонным защитным слоем осуществлялось на предприятии ООО «Нивелир-МПК». Была вылущена партия объемом 200 м2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обосновано повышение трещиностойкости изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем путем обеспечения совместной работы слоев регулированием рельефа контактной зоны из-за «вкрапливания» в нее зерен заполнителя и создания высокоплотного бетонного основания с низким дилатометрическим эффектом.

2. Разработана технология получения трещиностойких слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для изделий, работающих в суровых климатических условиях. Технология включает в себя изготовление полимербетонного слоя с «вкрапливанием» в него зерен заполнителя и последующей укладки слоя высокоплотного бетона.

3. С использованием математического метода планирования эксперимента получены многофакторные модели относительных деформаций слоистой системы в зависимости от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и относительных деформаций бетонного основания, позволяющие сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния вышеуказанных факторов.

4. Установлено, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта, если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности.

5. Установлено влияние состава и структуры бетонного основания на температурно-влажностные деформации в интервале изменения температуры от +20 до -60°С, на величину аномального расширения бетона при температуре -5 — -10°С и показано, что для высокоплотного бетона величина дилатометрического эффекта является незначительной, что обусловливает повышение монолитности строительного композита.

6. Показано, что у полимербетонов в отличие от бетонного основания температурно-влажностные деформации в воздушно-сухом и водонасыщенном

состоянии в интервале температуры от -60 до +20°С не имеют аномальных расширений в области отрицательной температуры.

7. Экспериментально установлена кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона, которая является интегральной характеристикой, связанной с размером пор и выявляющая два характерных участка льдообразования в интервале температуры -5 - -10 °С и -35 - -45°С, различающиеся по эффективному размеру пор на один или два порядка.

8. Разработаны слоистые изделия со следующими характеристиками слоев:

- полимербетонный: истираемость - 0.22 г/см2 , морозостойкость - БЗОО, ударная вязкость - 22 Кдж/м2, прочность при сжатии - 72 МПа, растяжение при изгибе - 20,5 МПа, адгезии к бетонной поверхности 3.5 МПа, предельная растяжимость -15.10"5, сброс прочности в 5% ном растворе НС1 -3.1%;

- бетонный: кубиковая прочность - 40 МПа, призменная прочность - 30 МПа, нижняя и верхняя граница трещинообразования - соответственно 1,4 МПа и 21,ЗМПа, модуль упругости - 26.103 МПа, предельные деформации сжатия и растяжения - соответственно 14,6 и 1,4 , коэффициент интенсивности напряжения - Кс=2,53 Мн/м3/2, морозостойкость - БЗОО.

9. Разработаны рекомендации по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для суровых условий эксплуатации.

10. Экономическая эффективность производства слоистых изделий повышенной трещиностойкости заключается в повышении их срока службы и в снижении затрат на межремонтный период эксплуатации.

Список научных трудов, опубликованных по теме диссертации.

1. Моисеенко К.С., Алимов JI. А. Эффективные декоративные бетоны с полимерным покрытием.// В сб. Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности».- М.: МГСУ, 2009.-с. 422-423

2. Моисеенко К.С., Королева E.H. Эффективные декоративные бетоны в строительстве.// В сб. докладов Московская городская научно-техническая конференция студентов. -М. МГСУ, 2010. - с. 404-406

3. Моисеенко К.С., Алимов JI.A. Декоративные бетонные изделия с поверхностным полимерным слоем.// Вестник МГСУ. - М.: МГСУ, 4/2011.-С.486-490

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д.36 тел.: 8-499-185-7954, 8-906-787-7086

61 12-5/3453

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Л

На правах рукописи

МОИСЕЕНКО КСЕНИЯ СЕРГЕЕВНА

V

ПОВЫШЕНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СЛОИСТЫХ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ДЕКОРАТИВНЫМ ПОЛИМЕРБЕТОННЫМ

ЗАЩИТНЫМ СЛОЕМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Алимов Л.А.

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕКОРАТИВНЫХ БЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.........................................................................8

1. Основная цель и задачи исследований, рабочая гипотеза....................8

1.1. Опыт применения декоративных бетонов в строительстве...................8

1.2. Основная цель и задачи.............................................................44

1.3. Рабочая гипотеза.....................................................................45

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................47

2.1. Характеристики исходных материалов.........................................47

2.1.1. Портландцемент....................................................................47

2.1.2. Смола..................................................................................48

2.1.3. Песок...................................................................................48

2.1.4. Щебень.................................................................................49

2.1.5. Добавки...............................................................................49

2.1.6. Пигменты............................................................................49

2.2. Методики исследований...........................................................50

2.2.1. Методика определения удобоукладываемости бетонной смеси..........50

2.2.2. Методика определения прочности.............................................50

2.2.3. Методика определения водопоглощения......................................50

2.2.4. Методика определения коэффициента интенсивности

напряжений бетона.........................................................................50

2.2.5. Методика определение коэффициента линейного температурного

расширения и температурно-влажностных деформаций..........................51

2.2.6. Методики определения морозостойкости.....................................53

2.2.7. Расчетный метод определения капиллярной пористости..................54

2.2.8. Метод трехстадийного насыщения бетона водой...........................54

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ.........................................................................................................56

3.1. Исследование состава, структуры и свойств защитно-декоративного

покрытия на основе полимерных составов............................................56

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БЕТОННОГО

ОСНОВАНИЯ.................................................................................76

4.1. Установление прочностных и деформативных свойств

бетонов.......................................................................................

4.2. Температурно-влажностные деформации и морозостойкость

бетонов.......................................................................................^2

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОЛИТНОСТИ ЗАЩИТНО-

ДЕКОРАТИВНЫХ СЛОИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ..........................................101

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.............................110

6.1. Рекомендации по изготовлению декоративных бетонных изделий

с поверхностным полимербетонным слоем..........................................110

6.2. Опытно-промышленное опробование..........................................112

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................115

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................116

ВВЕДЕНИЕ

Слоистые защитно-декоративные изделия с полимербетонным слоем, имитирующие горные породы, нашли широкое применение для дорожных и тротуарных покрытий, а также для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений. Однако в ряде случаев слоистые декоративные бетонные изделия в неблагоприятных условиях эксплуатации выходят из строя вследствие их разрушения в виде растрескивания и отслоения полимербетонного слоя. Главной причиной разрушения в этом случае является низкая прочность сцепления и несовместимость температурно-влажностных деформаций полимербетонного слоя и основного бетона в водонасыщенном состоянии при замораживании.

Решение задачи повышения трещиностойкости слоистых декоративных бетонных изделий заключается в обеспечении совместной работы слоев путем регулирования рельефа контактной зоны, учета температурно-влажностных деформаций, прочностных и деформативных свойств слоев, их толщины и протяженности контакта между ними.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертации является получение слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием для изделий, работающих в суровых условиях эксплуатации как структурно-целостные материалы.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обоснование получения трещиностойких изделий из слоистых бетонов с декоративным полимерным защитным покрытием;

- получение зависимостей прочностных и деформативных свойств полимерных покрытий и основного бетона от главных факторов;

- разработка составов и способа изготовления слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием;

- исследование физико-механических свойств слоистых бетонов с

декоративным полимерным покрытием;

- разработка рекомендаций по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимерным покрытием и их опытно-промышленное опробование.

Научная новизна:

- обосновано повышение трещиностойкости изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем путем обеспечения совместной работы слоев регулированием рельефа контактной зоны из-за «вкрапливания» в нее зерен заполнителя и создания высокоплотного бетонного основания с низким дилатометрическим эффектом;

- с использованием математического метода планирования эксперимента получены многофакторные модели относительных деформаций слоистой системы от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и относительных деформаций бетонного основания, позволяющие сформулировать условия монолитности слоистого изделия с учетом совместного влияния

вышеуказанных факторов;

- установлено, что поверхностный слой из полимербетона не растрескается при любой протяженности контакта, если деформации бетонного основания не превысят предельной растяжимости поверхностного слоя. В случае если деформации бетонного основания значительные, то монолитность слоистой системы обеспечивается за счет правильного выбора толщины поверхностного слоя и его протяженности;

- установлено влияние состава и структуры бетонного основания на температурно-влажностные деформации в интервале изменения температуры от +20 до -60°С на величину аномального расширения бетона при температуре от -5 до -10°С и показано, что для высокоплотного бетона величина дилатометрического эффекта является незначительной, что обусловливает повышение монолитности строительного композита;

- показано, что у полимербетонов в отличие от бетонного основания температурно-влажностные деформации в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии в интервале температуры от -60 до +20°С не имеют аномальных расширений в области отрицательной температуры;

- экспериментально установлена кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона, которая является интегральной характеристикой, связанной с размером пор и выявляющая два характерных участка льдообразования в интервале температуры -5 - -10°С и -35 - -45°С, различающиеся по эффективному размеру пор на один или два порядка.

Практическое значение. Разработана технология получения трещиностойких слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем для изделий, работающих в суровых климатических условиях. Технология включает в себя изготовление полимербетонного слоя с «вкрапливанием» в него зерен заполнителя и последующей укладки слоя высокоплотного бетона.

Разработаны слоистые изделия со следующими характеристиками слоев:

- полимербетонный: истираемость - 0.22 г/см2, морозостойкость - Р300, ударная вязкость - 22 Кдж/м , прочность при сжатии - 72 МПа, растяжение при изгибе - 20,5 МПа, адгезии к бетонной поверхности - 3.5 МПа, предельная растяжимость - 15.10"5, сброс прочности в 5% -ном растворе НС1 - 3.1 %;

- бетонный: кубиковая прочность - 40 МПа, призменная прочность -30 МПа, нижняя и верхняя границы трещинообразования - соответственно 1,4 МПа и 21,3 МПа, модуль упругости - 26.103 МПа, предельные деформации сжатия и растяжения - соответственно 14,6 МПа и 1,4 МПа , коэффициент

3/2

интенсивности напряжения - Кс=2.53 Мн/м , морозостойкость Р300.

Внедрение результатов исследования. Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из слоистых бетонов с декоративным полимербетонным защитным слоем осуществлялось на предприятии ООО «Нивелир-МПК». Была выпущена партия объемом 200 м .

Апробация работы. Основные положения результатов работы докладывались на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ молодых ученых МГСУ в течение 2007-2011 гг, на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды

жизнедеятельности», проводимых в рамках реализации федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.» в течение 2007 - 2011 гг.

На защиту выносятся:

- основные положения о повышении трещиностойкости изделий из слоистых декоративных бетонов с полимерным защитным слоем;

зависимости изменения состава, структуры и свойств полимербетонного слоя и бетонного основания от главных факторов;

- многофакторные зависимости деформаций слоистой системы от протяженности контакта между слоями, толщины поверхностного слоя и бетонного основания с учетом температурно-влажностных деформаций, прочностных и деформативных свойств слоев;

- кинетика льдообразования в поровом пространстве бетона в интервале

температуры от 0 до - 60°С;

- технология изготовления слоистых изделий с повышенной трещиностойкостью в суровых условиях эксплуатации;

- результаты опытно-промышленного опробования.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы 125 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 36 таблиц.

Работа выполнена на кафедре: «Технология вяжущих веществ и бетонов» Московского государственного строительного университета под руководством профессора, доктора технических наук Л.А. Алимова, которому автор глубоко признателен за постоянное руководство и большую помощь.

Автор выражает также благодарность коллективу кафедры «Технология вяжущих веществ и бетонов» Московского государственного строительного университета за содействие и помощь при выполнении данной работы.

ГЛАВА 1. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕКОРАТИВНЫХ БЕТОНОВ

В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1. Основная цель и задачи исследований, рабочая гипотеза

1.1. Опыт применения декоративных бетонов в строительстве.

В зависимости от природно-климатических условий района строительства, вида и качества строительных и отделочных материалов, художественных и национальных традиций оформления фасадов применяют различные покрытия и способы обработки поверхностей.

Последние должны выявлять их композиционную связь и обеспечивать общее художественное единство района застройки. Богатая палитра отделочных материалов, использование опыта и традиций народных мастеров позволяют в практике индустриального жилищного строительства добиваться высокой художественной выразительности фасадных решений в конструктивном, фактурном и цветовом отношениях. В отечественной практике декоративные бетоны и растворы для заводской отделки фасадных поверхностей изделий крупнопанельного домостроения применяют уже около 30 лет. Используются различные методы обнажения декоративного заполнителя отделочного бетона; цвет покрытия регулируется в зависимости от цвета заполнителя и вяжущего. Сочетание гранул разного размера и цвета придает поверхности вид своеобразной мелкой мозаики.

Самыми распространенными материалами для отделки зданий и сооружений являются: керамический гранит, керамическая плитка, декоративный кирпич, мрамор, бетоны и растворы [1].

Применение новых технологий при производстве керамики привело к появлению новых высококачественных облицовочных изделий. В результате того, что керамика долговечна, разнообразна по фактуре и цветовой гамме, а так же создание различных комбинаций из нее практически неограниченно, применение и производство фасадной керамики увеличивается ежегодно, она занимает одно из ведущих мест среди отделочных материалов. Однако в результате недостаточно прочного сцепления облицовки с поверхностью стен, а так же различных деформативных свойств материалов под действием напряжений, возникающих в растворе, образуются трещины. Под действием

агрессивной окружающей среды сеть трещин увеличивается и облицовка зданий, сооружений разрушается [2,3,4].

Повышение долговечности покрытий фасадных поверхностей влияет на сохранность их декоративных свойств, обеспечение качества фасадной поверхности зданий. Широкое развитие и применение получили декоративно-отделочные бетоны и растворы. В данное время они рассматриваются как конструкционно-отделочные материалы, применяемые в заводских условиях для изготовления бетонных и железобетонных изделий с готовой лицевой поверхностью. Вследствие применения цветных и белых горных пород цветовая гамма отделочных бетонов и растворов существенно возросла. В результате соединения различных минеральных веществ, заполнителей и пигментов производят полуфабрикаты: сухие смеси для лицевой отделки панелей, блоков и других конструктивных элементов зданий; и готовые изделия с отделанной лицевой поверхностью [5,6,7,8,10].

Так как бетонные и растворные смеси похожи по своим свойствам и составам с изделиями, они наиболее прочно соединяются с ними. Но в результате несоблюдения технологии производства облицовочных работ появляются повреждения, такие как инфильтрационные пятна, трещины, выцветы, побежалости и при незначительных механических воздействиях может наблюдаться неравномерный износ отделки.

Цокольные плиты, как ничто другое, наиболее подвержены действиям окружающей агрессивной среды, а также влиянию растворов соли, применяемых для борьбы с гололедом.

В последнее время из-за значительного загрязнения воздуха фасадные поверхности зданий подвергаются коррозии. Например, фасады зданий, облицованные естественным камнем, под воздействием агрессивных газов за последние 20 лет пострадали значительно сильнее, чем за предыдущие 300 лет, а оцинкованные стальные изделия на фасадах подвергаются коррозии уже через 3 -.5 лет.

В практике крупнопанельного домостроения известны случаи появления на фасадных поверхностях панелей наружных стен пятен в виде высолов и других дефектов, ухудшающих качество декоративного покрытия и отрицательно влияющих на его долговечность.

Анализ таких дефектов показал, что они возникают в результате проникновения на лицевую поверхность наружных стен растворимых солей и гидрата окиси кальция, образующихся в бетоне и выносимых на поверхность при миграции влаги через толщу стены.

Это может быть остаточная влажность изделий после термовлажностной обработки или влажность, проникающая в панели во время хранения на складах готовой продукции до монтажа, либо в процессе монтажа, а также появившаяся в процессе эксплуатации здания вследствие плохого обеспечения отвода воды от здания. Также образование деформаций и трещин в отделочном слое происходит из-за усадки здания, большого перепада температур внутри и снаружи здания, увлажнения и быстрого высыхания, нагревания и охлаждения отделочного слоя.

Фасадные поверхности в процессе эксплуатации подвергаются воздействию щелочей, которые выносятся из самих конструкций влагой в виде дождя, инея, конденсата; резкого перепада температур; выхлопных газов; ультрафиолетового облучения и механических нагрузок.

Все эти повреждения отделочных материалов приводят к ухудшению внешнего облика зданий и сооружений. При современной тенденции к увеличению этажности проблема периодического восстановления фасадов стоит особо остро.

Для получения декоративных отделочных материалов и изделий широко применяются белые и цветные цементы [7,8,9,10,11]. В процессе испытаний вышеуказанных цементов [12] оказалось, что при гидратации они обнаруживают изменение цвета, выражающееся в посветлении, а иногда, и в изменении цветового тона по сравнению с исходным клинкером, что обусловлено химическими процессами.

Цветные цементы также получают при совместном помоле белого (или се�