автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка основ энергосберегающего импульсного способа тепловлажной обработки тяжелых бетонов

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

КОСЯЧЕВСЬКА Світлана Миколаївна

УДК 666.97.033.5

РОЗРОБКА ОСНОВ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОГО ІМПУЛЬСНОГО СПОСОБУ ТЕПЛОВОЛОГІСНОЇ ОБРОБКИ ВАЖКИХ БЕТОНІВ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Пунагін Володимир Миколайович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри технології бетонів та в'яжучих.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук професор Сторожук Микола Андрійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів;

кандидат технічних наук, професор Пшінька Олександр Миколайович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, завідувач кафедри "Будівлі та будівельні матеріали".

Провідна установа - Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра “Технології будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг”, Міністерство освіти і науки України, м. Макіївка.

Захист відбудеться " 20 " квітня 2000 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ,

вул. Чернишевського, 24а, ауд.202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці академії за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий " 18" березня 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

К.В. Баташева

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. В умовах енергетичної кризи на Україні промисловість будівельних матеріалів потребує серйозного підходу для вирішення питань, пов'язаних з переходом на енерго- і ресурсозберігаючі технології. Разом з цим необхідно вирішувати питання зниження собівартості і підвищення якості продукції, що випускається. Основним фактором, що характеризує техніко-економічний стан виробництва, є тривалість твердіння бетону, яка залежить від застосовуваних методів прискорення його твердіння в ранньому віці.

Представлена робота присвячена визначенню температурних режимів пропарювання бетону і зниженню енергоємності тепловологісної обробки в умовах діючих підприємств шляхом переходу від традиційних режимів до імпульсного способу подачі теплоносія в окремих інтервалах температур.

Актуальність даної роботи виходить безпосередньо з практичних потреб галузі будівельних матеріалів, для якої необхідно вирішення питань із зменшення собівартості продукції. Це можливо за рахунок забезпечення більш повного використання внутрішньої теплової енергії твердіючого бетону при забезпеченні більш повної гідратації цементу в бетоні.

ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ. Викладені в дисертації дослідження виконані у відповідності з науковими напрямками кафедри технології бетонів та в’яжучих згідно обласної цільової науково-технічної програми науково-дослідних робіт “Енергокомплекс” (розділ 1 “Створення енергозберігаючих технологій і обладнання, методів і технічних засобів підвищення енергетичних показників енергопристроїв та ефективності використання енергоресурсів, розробка автоматизованих систем контролю, регулювання і управління енергоспоживанням енергоємних пристроїв та виробництв” від 14.09.1987р.), а також у відповідності з цільовою комплексною міжнародною науково-дослідною програмою по будівництву ОЦ.ОЗ 1. ^

МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ. Мета проведених досліджень-експериментально-теоретичне обгрунтування розробки і застосування імпульсного способу тепловологісної обробки бетонних і залізобетонних виробів у виробничих умовах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- дослідження впливу фізико-хімічних властивостей сировинних матеріалів на характеристики бетону;

- вивчення впливу температурних факторів на структуроутворення бетону в ранні терміни твердіння;

- вивчення розподілу температурних градієнтів в бетоні при теплооологісній обробці;

- дослідження впливу різних режимів тепловологісної обробки на хіміко-мінералогічний склад цементного каменю пропарених портландцементних бетонів;

- дослідження впливу різноманітних тепловологісних процесів у твердіючому бетоні на його фізико-механічні властивості;

- розробка основ енергозберігаючої технології тепловологісної обробки звичайного бетону;

- визначення техніко-економічної ефективності впровадження даної технології.

НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ:

> Встановлено, що процес розвитку внутрішніх напруг в матеріалі при структуроутворенні цементних систем є періодично-пульсаційним, в результаті чого їх вплив на структуру бетону в період її формування при тепловологісній обробці також носить періодичний характер.

> Доведено, що імпульсна дія теплової обробки, яка забезпечує синхронність процесу структуроутворення цементної системи і саме бетону із зовнішніми факторами, призводить до різкого підвищення фізико-механічних властивостей матеріалу, що формується.

> Уточнено вплив параметрів теплової обробки на кінетику формування структури і властивостей важкого бетону, в результаті чого запропоновано метод переривчастої подачі тепла до виробів в період їх ізотермічної витримки в камері твердіння.

> Встановлено, що пульсаційна дія енергоносія при ТВО призводить до зміни морфологічного складу новоутворень цементної системи, підвищення експлуаційно-міцністних властивостей пропареного бетону.

г Теоретично обгрунтована і експериментально підтверджена можливість впровадження імпульсної технології теплової обробки важких бетонів для виготовлення бетонних виробів із заданими властивостями.

> Розроблено основи енергозберігаючої технології тепловологісної обробки важких звичайних бетонів.

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ дослідження полягає у забезпеченні умов економного використання енергоресурсів на діючих підприємствах галузі будівельних матеріалів, раціонального використання цементу в бетоні та отриманні бетонних і залізобетонних виробів і конструкцій з покращеними властивостями.

з

Дослідно-промислове впровадження результатів роботи здійснювалось на ДП «Будматеріали» акціонерного товариства «Дніпробудіндустрія» (м. Дніпропетровськ). Очікуваний економічний ефект за рахунок зниження вартості бетонних і залізобетонних виробів становив 5,84 гривні/м3. Використання запропонованого технологічного рішення зменшує витрати теплоносія на 15%.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗД05УВАЧА. Розроблено та визначено теоретичні та практичні положення способу імпульсної тепловологісної обробки бетону. Проведено експериментальні дослідження цементного каменю бетону, пропареного за різними температурними режимами. Проведено комплексну порівняльну обробку експериментальних результатів досліджень і практичне впровадження способу на виробництві.

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ. Основні положення дисертації і результати роботи доповідались та обговорювались на щорічній міжнародній конференції «Проблемы современного материаловедения» (м. Дніпропетровськ, 1995-1999 p.p.), на науково-технічному семінарі "Добавки в бетон. Система "Релаксол" (м. Запоріжжя, 1999р.), на розширених засіданнях кафедр технології бетонів і в’яжучих і будівельних матеріалів і на наукових семінарах для викладачів, співробітників, аспірантів і студентів ПДАБтаА (1995-1999 p.p.).

ПУБЛІКАЦІЇ. Основні положення роботи викладені в 10 роботах.

СТРУКТУРА І ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, додатків, переліку використаних джерел з 122 назв. Робота викладена на 146 сторінках машинописного тексту, включає 24 рисунки і 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, викладені мета і задачі наукових досліджень, сформульовані основні положення, які автор виносить на захист.

У першому розділі аналізується стан питань, пов’язаних з проблемами методів прискорення твердіння бетону, що мають місце у вітчизняній практиці та у закордонному досвіді. Розглянуто суть теплотехнічних і механічних процесів, що проходять у бетоні при пропарюванні.

Властивості бетонних і залізобетонних виробів, пропарених при атмосферному тиску, досліджувались Бабушкіним В.І., Буттом Ю.М., Пащенко М.А., Волжснським О.В., Запорожцем І.Д., Кривенком П.В., Мироновим С.А.,

Малініною Л.О., Мчедловим-Петросяном О.П., Ушеровим-Маршаком О.В. та

іншими, а також зарубіжними спеціалістами Р. Нерсом, 3. Рейнсдорфом, М. Венюа, Р.К. Люїсом та іншими.

В результаті була повністю обгрунтована і підтверджена доцільність застосування тепловологісної обробки (ТВО) для одержання бетонних виробів заданої розпалубочної міцності за більш короткий час. При цьому неодноразово зверталася увага на погіршення експлуатаційно-технічних властивостей і структурних характеристик бетонів, які підлягали пропарюванню. Показано, що основним небезпечним періодом для формування внутрішньої структури бетону при ТВО є період ізотермічної витримки.

Особливе значення придається аналізу експлуатаційно-міцністних властивостей бетонних і залізобетонних конструкцій у 28-добовому віці, які пройшли ТВО, а також можливостям використання енергії екзотермічних реакцій системи «в’яжуча речовина - вода».

Вперше можливість позитивного використання екзотермії бетону була розглянута і запропонована в 60-х роках групою вчених ВНІІЗалізобетону та МІБІ. Рекомендовано створювати нефорсоаані температурні умови для твердіння бетону (залізобетону), що забезпечує оптимальне проходження екзотермічних реакцій в системі «мінерали в’яжучої речовини - вода».

Разом з тим, проблему використання внутрішніх резервів тепла при твердінні бетону дуже складно вирішити в умовах діючих підприємств, на діючих технологічних лініях з допомогою застосування способів, які пропонуються. І саме на основі аналізу виконаних робіт і попередніх дослідів висунута робоча гіпотеза досліджень про можливість оптимізації процесів гідратації і структуроутворення, зниження рівня внутрішніх напруг при пульсуючому режимі тепловологісної обробки, періодичність, інтенсивність і конгруентність якого відповідає процесам гідратації в 'яжучоі речовини.

У другому розділі наведені методики і результати досліджень впливу традиційних режимів і режимів ТВО імпульсного циклічного характеру на експлуатаційно-міцнісгні характеристики важкого бетону. Проведені експериментальні дослідження властивостей важкого бетону при різних режимах теплової обробки дають змогу повністю підтвердити теоретичні передумови про покращення фізико-механічних та експлуатаційно-міцністних властивостей портландцементних бетонів при принциповій зміні способу інтенсифікації бетону на ранній стадії твердіння. Наведено результати математичної обробки експериментальних досліджень за теорією достовірності результатів експериментів.

Вивчення впливу температурно-вологісних параметрів на міцність важкого бетону різних термінів твердіння проводилося в лабораторних та виробничих умовах. Зразки виготовлялися з використанням портландцементів різного хіміко-мінералогічного складу різних заводі в-виробників України. Дослідження проводились за стандартними методиками.

Автором проведено комплексні експериментальні дослідження цементного каменю важкого бетону, пропареного в різних умовах, за допомогою диференційно-термічного, рентгеноструктурного та електронно-мікроскопічного аналізів.

Проведені експериментальні дослідження показали, що:

- основними параметрами, які впливають на ступінь гідратації цементів у процесі ТВО, є температура, кінетика її зміни та насичення бетонної суміші водою;

- підвищення інтенсивності прогрівання бетону при ізотермічному витримуванні призводить до зміни структури та розміру кристалічних новоутворень цементного каменю;

- якість бетону залежить від його основних характеристик (склад, вид в’яжучої речовини, мінералогічний склад останньої та ін.) у взаємозв'язку з умовами його твердіння при тепловій обробці;

- при організації процесу ТВО таким чином, що забезпечується оптимальне структуроутворення бетону, можливо досягти зменшення кількості його макропор при одночасному збільшенні мікропористості та ущільнення структури;

- вивчення кінетики тепловиділення при твердненні бетону дозволяє знизити енерговитрати при ТО шляхом розробки та організації малоенергоємких режимів в результаті регулювання режимів подачі тепла від зовнішнього джерела на протязі всього періоду ТВО.

У третьому розділі для вивчення інтенсивності та тривалості температурних режимів на час теплової дії на бетон і для вивчення росту міцності бетонних зразків у різних умовах твердіння були проведені дослідження розподілу температур у бетонному елементі в період ізотермічного прогріву при традиційній тепловологісній обробці та запропонованому імпульсному режиму.

Виникнення деструктивних процесів зв'язують з температурним розширенням рідкої та газоподібної фаз бетону при нагріванні. В цьому випадку збільшується ступінь тріщиноутворення в бетоні і розвиток внутрішніх структурних напруг. Визначити границі тріщиноутворення в бетоні безпосередньо неможливо і тому було вибрано посередній шлях, який дозволяє судити про тріщиностійкість бетону по коефіцієнту зниження міцності бетону у зразках заданої "зрілості", тобто

при рівній кількості градусо-годин. Метод розрахунку міцності бетону, заснований на теорії "градусо-годин", отримав широке розповсюдження і довів свою ефективність.

Принципова різниця традиційного режиму ТВО та запропонованого імпульсного способу полягає у зміні режиму подачі зовнішнього джерела тепла -енергоносія - в камеру пропарювання у тих місцях на графіках ТВО, які відповідали б максимальній різниці температур між поверхнею і центром пропарюваних елементів при традиційній обробці, тому що це призводить до порушення структури бетону, що утворюється, збільшення відносного температурного градієнта в тілі бетону та коефіцієнта дефектності структури. Останній пропонується використовувати для оцінки параметрів ТВО на властивості бетону як відношення границі міцності при розтягу Яр до границі міцності при стиску бетону для відповідних умов його твердіння. Зменшення відношення Кр:Ксг для бетонів, що пройшли тепловологісну обробку, свідчить про появу мікротріщин та погіршення внутрішньої мікроструктури бетону, тобто такий показник є основою для кількісної оцінки ступеню дефектності структури бетону. З його збільшенням підвищується морозостійкість та витривалість бетону.

Ефективність запропонованого показника для оцінки якості структури бетону і його залежність від тривалості та характеру теплової обробки підтверджена експериментально (табл. 1).

Аналізом експериментального матеріалу встановлено, що на стадії ізотермічного витримування бетону при ТВО спостерігається максимально великий градієнт температур між поверхнею та центром бетону. Це призводить до порушення внутрішньої структури бетону та зниженню його міцністних властивостей у порівнянні з бетоном нормальних умов твердіння. У цьому зв'язку при обробці експеримЬнтальних даних особлива увага була приділена значенню відносного градієнта температур (рис.1), який характеризує процес розподілу температури на одиницю товщини бетону у виробі (ДТ = (Т2-Т()/Ь).

При підвищених температурах та атмосферному тиску міцність бетону залежить від умов проходження фізико-хімічних процесів твердіння. На основі закону мас Гульдберга та Ваагс виникла можливість розглянути процес структуроутворення в полімінеральній структурі бетону як ланцюг послідовних одномолекулярних реакцій, використовуючи початкову концентрацію С0, яка змінюється з часом за експоненціальною залежністю:

Таблиця 1

Характеристики досліджених важких бетонів.

Тип цементу В/Ц ок, см м, град* год І^т, МПа КР, МПа Кдеф

Бетон "нормального" твердіння

пц А-0-400 0,43 3 12096 32,10 3,10 0,097

0,57 8 31,20 3,07 0,098

0,64 11 29,00 2,74 0,093

пц ІІ/А-500 0,44 3 32,35 3,25 0,100

0,54 8 31,40 2,90 0,092

0,64 11 29,15 2,14 0,073

Традиційна тепловологісна обробка

11Ц А-0-400 0,43 3 12560 27,40 2,51 0,092

0,57 8 25,40 2,20 0,087

0,64 11 23,90 1,92 0,080

ПЦ ІІ/А-500 0,44 3 28,15 2,87 0,102

0,54 8 27,10 2,75 0,102

0,64 11 25,30 2,30 0,091

Імпульсна тепловологісна обробка

пц А-0-400 0,43 3 12541 31,10 3,08 0,099

0,57 8 29,70 2,83 0,095

0,64 11 28,10 2,58 0,092

пц ІІ/А-500 0,44 3 31,90 2,52 0,079

0,54 8 31.00 2,26 0,073

0,64 11 29,60 1,80 0,061

С=С0-е'кІ, (1)

де С - концентрація речовин продуктів реакції;

С0 - початкова концентрація речовини; к, т - постійні реакції.

Тривалість ТВО, год

Рис. 1. Залежність відносного температурного градієнта ДТ (перепаду між центром і поверхнею бетону) від часу твердіння при тепловологісній обробці: А -режими ТВО: 1 - традиційний; 2 - імпульсний; Б - графіки відносного температурного градієнта: 1,2 - відповідно при традиційній та

імпульсній ТВО.

Звідси повна сумарна концентрація реагу ючих речовин для розрахованого терміну твердіння буде становити:

Ст=С0-т(1-е'кт). (2)

Приймаючи початкову концентрацію речовин відповідно теорії подібності такою, що відповідає добовій міцності бетону при твердінні в нормальних умовах

(1=20°С або 293 К), і вважаючи для звичайних бетонів значення постійних коефіцієнтів п і к відповідно 0,5 і 0,3, вираз (2) можна апроксимувати до вигляду:

- Кб20‘ фп ■ (3)

де ^ ■ коефіцієнт, що враховує залежність міцності бетону від часу.

На основі узагальнення експериментальних даних для прогнозування росту міцності бетону в залежності від температури твердіння рекомендується використовувати залежність

*,ыпрН(и), (4)

де Я„ і ДЯ1 - відповідно добова міцність бетону, визначена експериментально та приріст міцності на одиницю зміни його умовної зрілості;

Ыпр= Аг • ^/ттв - приведена зрілість бетону.

Тут ДІ при температурі, що змінюється, визначається за графіком зміни температури в часі з урахуванням інтенсивності її впливу К; в різні періоди твердіння. Коефіцієнт інтенсивності впливу температури на міцність бетону в часі Кі запропоновано як характеристику процесу динаміки набору міцності бетоном при ТВО і він визначається графо-аналітичним методом шляхом ділення площі з умовно постійною температурою і тривалістю впливу (час) на ординату функції впливу, що виміряна під центром тяжіння такої площини. Кінетику росту міцності при тепловологісній обробці та взаємозв'язок структурних властивостей саме твердіючого бетону і тривалості ТВО бетону відсліджували, вивчаючи залежність коефіцієнту інтенсивності впливу температури на міцність твердіючого бетону (рис.2).

Режими пропарювання в лабораторній пропарювальній камері розроблялися з умов того, що при зміні температури в камері, яка працює у виробничих умовах, відпускна міцність бетону не повинна знижуватися в порівнянні з традиційним режимом пропарювання при незмінній тривалості ТВО.

Експериментальні дослідження зразків бетону, що тверділи в різних температурних умовах, показали що:

основний вплив на процеси структуроутворення і набору міцності бетоном у ранній термін твердіння мас інтенсивність та тривалість температурних режимів при пропарюванні;

е< а х

и н •н ъ Я о •Н о •е X Ф и о 5 « о Ї о * £ •Н

Тривалість ТВО, год

Рис. 2. Графік залежності коефіцієнта інтенсивності впливу температури на міцність твердіючого бетону від часу його пропарювання:

1 - крива залежності коефіцієнту інтенсивності впливу температури на міцність бетону при традиційній ТВО; 2 - крива залежності коефіцієнту інтенсивності впливу температури на міцність бетону при імпульсному режимі ТВО.

• принципова зміна схеми подачі зовнішнього енергоносія в камеру пропарювання бетонних та залізобетонних виробів при ТВО і перехід до імпульсних режимів забезпечує принципову можливість підвищення міцності бетону до 112-115% та зниження дефектності структури бетону при зниженні витрат енергоносія;

• інтенсивність впливу температури на міцність твердіючого бетону неоднозначна. З часом вплив температури затухає. При імпульсному режимі ТВО крива впливу температури на міцність бетону в часі більш полога і коефіцієнт впливу температури досягає мінімальних значень за більш короткий проміжок часу.

У четвертому розділі наведено результати фізико-хімічних досліджень методами рентгеноструктурного, диференційно-термічного та електронно-мікроскопічного аналізів процесів гідратації, формування структури і набору міцності бетону, що пропарювався при різних режимах теплової обробки. Підвищення міцності бетону (рис. З.А і Б) зумовлено не тільки усуненням фізичних дефектів внутрішньої структури бетонного масиву - усуненням макро- і мікротріщин і причин розвитку великих капілярів при ТВО - але й забезпеченням умов для самолікування таких дефектів, зміною структури продуктів гідратації і морфологічного складу цементного каменю отриманого бетону.

ист,МПа

Водоцементне відношення в/Ц

Ист,МПа

X

Водоцементне відношення

в/Ц

Рис. 3. Залежність міцності бетону на стиснення від водоцементного відношення у 28-добовому віці: А - ПЦ400; Б -ПЦ500: I

1 — бетон "нормального" твердіння;

2 - бетон, пропарений за імпульсним режимом;

3 - бетон, пропарений за традиційним режимом.

Встановлено, що фазовий склад зразків різних термінів твердіння пропареного бетону суттєво не змінюється. Але у зразках бетону, пропареного за імпульсним способом, процеси гідратації і твердіння проходять більш послідовно, що не призводить до їх перекриття один одного і забезпечує процес гасіння внутрішніх структурних напруг.

Високі міцністні характеристики пропареного за імпульсним способом ТВО бетону зумовлені утворенням тонкокристалічних низькоосновних сполук СаОА1263 10Н2О (2,96 10‘Іонм; 2,44-Ю'10нм; 1,63-НГ10нм), С-5-Н(В) (1,82Ю'10нм; 1,68-КГ10нм), 4Са0А1203ТЗН20, шо мають більшу міцність, ніж високоосновні сполуки, що утворюються в цементному камені бетону, пропареного за традиційним режимом (4Са0-ЗА]203-ЗН20 (3,551О‘10нм; 2,7М0“'°нм), С3АН6 (1,7510'юнм; 1,66-10_1онм), С28Н(іі) та ін.) (рис. 4).

Дані рентгеноструктурного аналізу дозволяють оцінити також і ступінь гідратації клінкерних мінералів у зразках цементного каменю бетонів, що пропарювалися за різними температурними режимами. Рентгенограми зразків цементного каменю бетонів, пропарених за імпульсним способом, дають змогу зробити висновок про більш високу ступінь гідратації мінералів в умовах імпульсної ТВО на основі того, що величина піків, які відповідають тим чи іншим мінералам має суттєві зміни.

Виходячи з проведених комплексних експериментальних та теоретичних досліджень, у п 'ятому розділі надаються практичні рекомендації щодо застосування імпульсного способу ТВО важких бетонів для зниження витрат теплової енергії при організації раціональних умов структуроутворення матеріалу, що твердіє.

В умовах економічної кризи перспективним та економічно доцільним при вивченні питання одночасного зниження собівартості будівельних матеріалів і підвищення їх експлуатаційно-технічних характеристик можна вважати розробку та впровадження саме для діючих пропарювальних агрегатів, розповсюдженим типом яких були і залишаються ямні пропарювальні камери, енергозберігаючих технологій пропарювання бетону. При цьому вирішуються питання вдосконалення ТВО за рахунок покращення умов твердіння бетону при повному обліку особливостей цієї полімінеральної системи та забезпечення програмного регулювання та управління процесів теплової обробки.

У зв'язку з цим запропоновано до впровадження удосконалену схему автоматизації процесу підводу тепла в пропарювальну камеру при імпульсній тепловологісній обробці.

Рис. 4. Рентгенограми зразків цементного каменю бетонів 1-добового віку:

А - ПЦ 400; Б - ПЦ 500: а - бетон, пропарений за традиційною технологією; б - пропарений за імпульсним режимом ТВО; в - бетон "нормального" твердіння.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ:

1. В результаті фізико-хімічних досліджень і узагальнень, отриманих експериментальних даних вирішене науково-технічне завдання, яке полягає в розробці:

- науково-методичного підходу, основних принципів удосконалення та оптимізації технології тепловологісної обробки бетонних та залізобетонних виробів;

- технологічних основ реорганізації процесу пропарювання важкого бетону в умовах сучасних підприємств, які забезпечують зниження собівартості готової продукції та енергетичних затрат при забезпеченні достатньої якості виробів.

2. Дослідженнями встановлена можливість застосування імпульсних режимів ТВО замість традиційної ізотермічної обробки звичайних важких бетонів на портландцементах І та II груп по ДСТУ Б В.2.7-46-96.

3. Методами рентгеноструктурного, диференційно-термічного і електронно-мікроскопічного аналізів досліджено зміну структурно-хімічних властивостей важкого бетону після імпульсної теплової обробки. Визначено фазовий склад цементного каменю бетонів і ступінь дефектності їх структури. Встановлено, що пропарений за імпульсним режимом ТВО бетон має більш щільну структуру та більш міцне зчеплення цементуючої маси з заповнювачем.

4. Введено поняття "коефіцієнта інтенсивності впливу температури" на міцність бетону при тепловій обробці. Доведено, що з часом вплив температури затухає і при імпульсному режимі ТВО крива впливу температури на міцність бетону носить більш пологий характер, а значення коефіцієнта досягає мінімальних значень за більш короткий проміжок часу.

5. Підвищення міцності бетону, пропареного за запропонованим режимом, може бути пояснено зміною морфологічного складу продуктів гідратації, збільшенням кількості зв'язаної води в структурі бетонних елементів після імпульсної ТВО на 15-20% порівняно з аналогічним показником у бетонів, пропарених за традиційним режимом та збільшенням кристалохімічних зв'язків в одиниці об'єму бетону.

6. Встановлено залежність міцності бетону як основної характеристики якості матеріалу від багатьох факторів при ТВО: ступеню зрілості бетону, коефіцієнта дефектності структури, температурних градієнтів між бетонним елементом та середовищем камери пропарювання, коефіцієнта інтенсивності впливу температури на міцність бетону в часі при ТВО та ін.

7. В результаті виконаних робіт та на основі теорії будівельних матеріалів з структурою, що близька до стереорегулярної, вперше розроблено і впроваджено у виробництво новий режим ТВО бетонних виробів з урахуванням технологічних, теплотехнічних та фізико-хімічних факторів. При цьому в першу чергу було зроблено обмеження внутрішніх структурних напруг при твердненні матеріалу в ранньому віці.

8. Дослідно-промислові дослідження та впровадження розробленого способу довели можливість використання широкорозповсюджених в'яжучих (ПЦ 400, ПЦ 500), зниження витрат енергоносія, зниження тепловитрат у виробничих умовах при збільшенні експлуатаційно-міцністних характеристик виробів при зменшенні їх собівартості.

9. Для впровадження імпульсного способу ТВО розроблена однолінійна схема автоматизації САУ-ІТВО, що дозволяє управляти процесом переривчастої подачі тепла в камеру пропарювання, враховуючи різницю температур середовища камери та бетонних виробів.

10. Питомий економічний ефект від впровадження результатів роботи в 1998 році становив 5,84 грн/м3.

Основні результати досліджень опубліковані в наступних роботах:

1. Косячевская С.Н. Разработка критерия микротрещинообразования бетона при тепловлажностной обработке// Проблемы современного материаловедения. -Ч.ІІ. - Днепропетровск: ПГАСиА.-1997. - С.216.

2. Косячевская С.Н. Напряженное состояние бетона при тепловлажностной обработке// Ресурсосберегающие технологии в транспортном и гидротехническом строительстве - Вып.З. - Днепропетровск: Арт-Пресс.-1997.-С.43.

3. Пунагин В.Н., Руденко Н.Н., Косячевская С.Н. К вопросу совершенствования технологии тепловой обработки бетонов// Ресурсосберегающие технологии в транспортном и гидротехническом строительстве - Вып.4. - Днепропетровск: Арт-Пресс.-1997.-С.37-40 (автором розроблені та теоретично і практично обгрунтовані основні положення способу імпульсної тепловологісної обробки важкого бетону).

4. Пунагин В.Н., Косячевская С.Н. Новый метод интенсификации твердения тяжелого бетона// Сб. научн. тр. ПГАСиА-Днепропетровск: ПГАСиА.-1998,-С.80-83 (особистий внесок здобувача - проведення експериментальних досліджень цементного каменю бетону, пропареного за різними температурними режимами).

5. Косячевская С.Н. Импульсный метод тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий // Строительство, материаловедение и машиностроение. - Вып.7 «Проблемы современного материаловедения» — Днепропетровск: ПГЛСА. - 1998. - С. 174-176.

6. Косячевская С.Н. Эффективный метод интенсификации твердения тяжелого бетона // Вісник ПДАБтаА.- Дніпропетровськ: ПДАБА.-1998. - №1. - С. 34-37.

7. Косячевская С.Н. Влияние нетрадиционных режимов пропаривания на формирование микроструктуры тяжелого бетона при тепловлажностной обработке// Вісник ПДАБтаА.-Дніпропетровськ: ПДАБА.-1998,- №7. - С. 22-25.

8. Косячевская С.Н. Принципы и критерии оптимизации режимов тепловой обработки тяжелых бетонов в условиях действующего производства// Ресурсосберегающие технологии в транспортном и гидротехническом строительстве. - Вып.5. - Днепропетровск: Арт-Пресс.-1998,- С. 35-39.

9. Косячевская С.Н. Разработка оптимальных режимов тепловлажностной обработки бетонов на основе изменения внутренних температурных напряжений // Вісник ПДАБтаА - Дніпропетровськ: ПДАБА.-1999.- №2. - С. 29-32.

10. Косячевская С.Н. Теоретические основы организации следящих режимов тепловой обработки бетона// Вісник ПДАБтаА. - Дніпропетровськ: ПДАБА.-1999.-№11.-С. 36-43.

АНОТАЦІЇ

Косячевська С.М. Розробка основ енергозберігаючого імпульсного способу тепловологісної обробки важких бетонів. - Рукопис.

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

У дисертаційній роботі досліджено вплив технологічних чинників на процес структуроутворення і набору міцності звичайними важкими бетонами при тепловологісній обробці. Досліджено спосіб принципово нової організації подачі енергоносія в камеру пропарювання бетонних і залізобетонних виробів при ТВО. Вивчено нові режими імпульсної тепловологісної обробки для пропарювання бетонів на портландцементах перших двох видів за ДСТУ Б.В 2.7-46-96. Наведено результати досліджень цементного каменю важких бетонів, пропарених за різними

технологіями, фізико-хімічними та слсктроішо-мікроскопічними методами. Розроблено рекомендації із застосування імпульсного способу ТВО важких бетонів з урахуванням властивостей важких бетонів на різних портландцементах та рекомендації щодо реалізації запропонованої та удосконаленої схеми автоматизації процесу тепловологісної обробки на виробництві.

Ключові слова: тепловологісна обробка; імпульсний спосіб ТВО; міцність; структуроутворення; дефектність структури; критичні внутрішні напруги.

Косячевская С.Н. Разработка основ энергосберегающего импульсного способа тепловлажностной обработки тяжелых бетонов. -Рукопись.

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

Диссертация посвящена вопросу усовершенствования существующей технологии тепловлажностной обработки с одновременным обеспечением экономии энергоносителя и получением тяжелого бетона с улучшенными физикомеханическими свойствами.

Новая технология ускоренного твердения бетона в раннем возрасте основывается на организации импульсной подачи тепла в камеру тепловлажностной обработки в моменты, когда снижение разности температур в камере и бетоне, вызывающее развитие внутренних напряжений, производится путем прекращения подачи тепловой энергии. Это обеспечивает положительные условия для прохождения процессов структурообразования цементной системы твердеющего бетона, так как формирование структуры материала происходит в режиме отвода тепла. Такой режим является наиболее оптимальным для реакций экзотермического характера. Преимуществом новой энергосберегающей импульсной технологии тепловлажностной обработки является регулирование параметров технологического процесса в автоматическом режиме специально разработанной электронной системой. Метод импульсного прогрева основан на отслеживании температуры бетона и среды твердения, который позволяет определить критические моменты

развития температурно-влажностных деформаций. Это предотвращает развитие деструктивных процессов, а также микро- и макротрещинообразования.

Разработанная технология в результате использования тепла изотермических реакций твердеющей цементной системы и периодичности подачи внешней тепловой энергии отличается экономическими показателями, определяющими до 15% экономии тепловой энергии. В работе исследованы и определены оптимальные условия для получения термообработанного бетона с улучшенными физико-механическими характеристиками при обязательном снижении внутренней дефектности материала. Значение этого параметра регулируется по величине коэффициента дефектности образующейся структуры Кдеф, величина которого возрастает до Кр/11сж>0,1 при традиционном режиме ТВО. Установлено, что прочность пропаренных традиционным способом бетонов в 28-ми суточном возрасте равна 27,4-25,3 МПа, при импульсном режиме пропаривания этот показатель возрастает до 31,1-29,6 МПа, что на 13-15% больше вышеприведенных значений. Коэффициент дефектности структуры Кдеф в этих случаях находится в пределах 0,092-0,091 и 0,099-0,061 соответственно. Об изменении физикомеханических характеристик полученных бетонов можно судить из таблицы 1.

Введено понятие "коэффициента интенсивности влияния температуры" на прочность бетона в период его твердения при тепловой обработке. Кинетика гидратации вяжущего и роста прочности бетона в условиях импульсной подачи тепловой энергии оценена на основе закона действия масс Гульдберга и Вааге, что позволило определить численное значение температурного коэффициента интенсивности влияния на прочностные свойства твердеющего бетона в ранний период времени.

Доказано, что изменение прочностных свойств бетонов, подвергнутых импульсной тепловлажностной обработке, происходит в результате изменения количества химически связанной воды в цементном камне на 15-20%, изменения морфологического состава гидрагных новообразований, а также существенным приростом количества кристаллохимических связей в единице объема бетона.

Приведены результаты физико-химических исследований методами рентгеноструктурного, дифференциально-термического и микроскопического

анализов. Высокие прочностные характеристики пропаренного по импульсному способу тепловой обработки бетона обусловлены образованием тонкокристаллических соединений (САНю, CSH и др.), которые имеют большую прочность, чем высокоосновные соединения, которые образуются в цементном камне бетона, пропаренного по традиционному режиму, например, 4Ca03Al2CV13H20 и C2SH(II).

При организации соответствия технологических воздействий и внутренних процессов твердеющего материала доказано повышение прочностных свойств обычных тяжелых бетонов на 13-15% при одновременной экономии энергетических затрат на ТВО бетона и при снижении себестоимости готовых изделий.

Для внедрения разработанных научных положений, методов и рекомендаций, была усовершенствована схема автоматизации процесса пропаривания бетона в соответствии с условиями импульсной тепловлажностной обработки, преимущество которой заключается в снижении количества обслуживающего персонала (чел-час) и себестоимости готовой продукции.

Ключевые слова: тепловлажностная обработка, импульсный способ тепловлажностной обработки, прочность, структурообразование, дефектность структуры, критические внутренние напряжения.

Kosacevskaja S.N. The development of energy saving impulse process of warm moist treatment of hard concrete. - Manuscript.

Dissertation work for searching for the scientific grade of Candidate of Technical Sciences, speciality 05.23.05 - Building Materials and Goods. - Pridneprovsky State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnepropetrovsk, 2000, is presented.

The influence of technological parameters on the processes of structure formation and strength capacity by usual hard concrete during warm moist treatment has been studied. The method of new organisation of energy supplying into heating camera for concrete and fitted concrete goods during warm moist treatment has been investigated. New regimes of warm treatment for concrete heating into portland concrete of the two first types according to the Ukrainian State Standard B.V.2.7-46-96 has been studied. The

results of investigation of concrete stone of hard concrete, heated by different technologies according to physical and chemical, and electron microscopy methods are presented. Recommendations on application of impulse method of warm moist treatment of hard concrete with the account of their properties in different portland concrete and recommendations on proposed and developed scheme of automation of process of warm moist treatment in industry has been developed.

Key words: warm moist treatment, impulse method of warm moist treatment, strength, the presence of a defects of a structure, critical internal stress.