автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Свойства цементнощебеночных смесей, твердеющих при отрицательных температурах в конструкциях дорожных одежд

На правах рукописи

РГБ ОД

- з ИЮН 2300

Вдовин Евгений Анатольевич

СВОЙСТВА ЦЕМЕНТОЩЕБЕНОЧНЫХ СМЕСЕЙ, ТВЕРДЕЮЩИХ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ В КОНСТРУКЦИЯХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань -2000

Работа выполнена в Казанской государственной архитектурно-строителы академии.

Научные руководители -

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор А.И. Брехман

кандидат технических наук, доцент Э.Н. Хабибуллина

доктор технических наук, профессор В.Г. Хознн

кандидат технических наук, профессор Л.А. Феднер

Производственное ремонтно-строительное объединение "Татавтодор"

Защита состоится " ¿//С//у 2000 года в /У 00часов на заседаг диссертационного совета К 064.77.01 в Казанской государственной архитектур строительной академии по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанской государств ной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан " // " 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

А.М. Сулейманов

Ом-очч-.о&.оц/о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение объемов дорожного строительства сдерживается из-за сезонного характера работ. Использование зимнего периода для устройства оснований дорожных одежд позволит в значительной степени решить проблему круглогодичного производства дорожно-строительных работ. В ряде районов страны и, в частности, в Татарстане отсутствуют запасы прочных крупнообломочных материалов, пригодных для устройства дорожных одежд в зимних условиях. Проблема может быть решена путем строительства оснований из малопрочпых щебеночных ма-^ териалов, обработанных неорганическими вяжущими.

Производство работ при отрицательных температурах воздуха (до -15°С) допускает применение в материалах, укрепленных портландцементом, хлористых соединений, нитрита натрия и кальция, поташа и других добавок, обеспечивающих процесс гидратации цемента. Однако перечисленные вещества не повышают морозостойкость укрепленных цементом материалов и ухудшают удобоукладываемость смесей. Противоморозные добавки, помимо понижения температуры замерзания воды затворения и ускорения процессов твердения, пластификации цементощебеночных смесей (ЦЩС), должны способствовать улучшению эксплуатационных качеств материалов. Известные противоморозные добавки в настоящее время применяются только в тяжелых бетонах. В связи с этим разработка новых противоморозных составов полифункционального действия для цементощебеночных оснований, укладываемых в зимних условиях, представляется актуальной задачей.

Цель работы. Исследование процессов твердения ЦЩС при отрицательных температурах и их строительно-технических свойств (СТС), разработка составов противоморозных добавок и совершенствование технологии работ, способных повысить эксплуатационные качества материала в дорожных одеждах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи:

- оценить влияние противоморозной добавки фильтрата'технического пента-эритрита (Ф'ГП) на кинетику твердения ЦЩС при отрицательных температурах;

- разработать противоморозные составы га основе ФТП и дать анализ зависимости процессов твердения ЦЩС от температурного режима и содержания добавок;

- исследовать физико-химические процессы взаимодействия в системе порт-ландцемент-противоморозные реагенты при отрицательных температурах;

- выполнить анализ СТС цементощебеночных материалов применительно к условиям эксплуатации дорожных одежд;

- изучить влияние технологических факторов на качества ЦЩС и подобрать оптимальные параметры приготовления смесей с противоморозными добавками;

- составить технические рекомендации на производство работ и осуществить опытно-производственную проверку результатов исследований;

- дать экономическую оценку эффективности зимнего строительства оснований дорожных одежд из ЦЩС.

Научная новизна работы:

- установлено влияние каждого из компонентов противоморозных составов на кинетику твердения ЦЩС при отрицательных и знакопеременных температурах:

наибольшее упрочение смесей происходит в присутствии добавок ФТП независим от начальной величины отрицательных температур; добавки хлорида кальция способ ствуют ускоренному набору прочности лишь в первые 7 суток твердения при микусс вых температурах; суперпластификатор С-3 не оказывает влияния на кинетику твер дения ЦЩС, но повышает их морозостойкость;

- установлено, что гидратация цементного камня при отрицательной темпера туре в присутствии противоморозных добавок на основе ФТП приводит к преимуще ствснному образованию С28НП - двухкальциевого гидросиликата и портландит Са(ОН)2;

- установлено, что в присутствии ФТП и С-3 возрастает прочность на растяж ние при изгибе и, соответственно, трещиностойкость ЦЩС вследствие формировани уплотненной кристаллизационной структуры цементного камня как в объеме, так и зоне контакта с заполнителем;

- выявлена параболическая зависимость температуры замерзания воды затве рения ЦЩС от компонентного состава разработанных добавок - наиболее низкая тем пература замерзания раствора комплексных добавок в зависимости от их содсржани составила -15 -16°С.

Практическая ценность состоит:

- в разработке составов противоморозных добавок для устройства в зимний гк риод цементощебешчных оснований автомобильных дорог;

- в определении строительно-технических свойств цементощебеночных мат« риалов с противоморозными составами и рациональной области их применения;

- в разработке рекомендаций к технологии производства работ при устройств цементощебеночных оснований в зимних условиях с применением противоморозны добавок;

- в реальной возможности продления строительного сезона и производства р< бот при отрицательных температурах (до -15 -16°С), подтвержденной опытне производственным строительством и последующим наблюдением за состоянием уч; стка дороги;

- в оценке технико-экономической эффективности зимнего строительства о< нований дорожных одежд из ЦЩС с разработанными противоморозными составами.

На защиту выносятся:

- разработанные противоморозны е составы на основе ФТП и их влияние на и нетику твердения ЦЩС при отрицательных температурах;

- соответствие строительно-технических свойств цементощебеночных мап риалов, твердевших при отрицательных температурах, требованиям нормативных д< кумектов и условиям эксплуатации в конструкциях дорожных одежд;

- результаты исследований физико-химических процессов в системе портлан, цемент - противоморозные реагенты при отрицательных температурах;

. - технологические параметры зимнего производства цементощебеночных мат риалов и температурный режим замерзания воды затворения с добавками;

- результаты опытно-производственного строительства цементощебеночно: основания в зимних условиях и круглогодичного наблюдения за состоянием участ: дороги;

- обоснование технико-экономической эффективности зимнего строительства дорожных одежд из ЦЩС с разработанными противоморозными составами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Казанской государственной архитектурно-строительной академии, Казань (1997-2000 г.г.); на I Международной научно-практической конференции "Автомобиль и техносфера", г.Казань, КГТУ им.А.Н.Гуполева (1999 г.); на юбилейной Международной научно-практической конференции "Строительство-99", Ростов на Дону, РГСУ (1999 г.); на Международной научно-практической конференции "Композиционные строительные материалы. Теория и практика", г. Пенза, ПГАСА и ПДЗ (2000 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованных источников из 130 наименований и приложений. Работа содержит 169 страниц машинописного текста, 34 таблицы, 33 рисунка, 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной строительству дорожных одежд из ЦЩС.

Большой вклад в разработку теории и методов зимнего бетонирования, в т.ч. при строительстве автомобильных дорог, внесли В.М.Безрук, А.В.Лагойда, М.Н.Першин, В.Б.Ратинов, С.А.Миронов, В.Н.Сизов, Б.Г.Скрамтаев, C.B.Шестоперов, А.Е.Шейкин, В.А.Шильнихов, С.Бергстрем, Р.Лермит, А.М.Невиль, Т. Паузрс и др..

Конструкции дорожных оснований имеют большой модуль поверхности (8-ИЗ м'1), поэтому наиболее оправдано использование беспрогревного метода устройства цементощебеночных оснований с применением противоморзных добавок.

Традиционно используемые противоморозные добавки незначительно ускоряют процесс твердения ЦЩС, а конечная прочность, морозостойкость, деформатив-ность и т.д. имеют пониженные показатели.

Достаточно большое количество работ отечественных и зарубежных ученых посвящено ускорению твердения цементных систем, повышению их прочностных характеристик и долговечности. На основании литературного обзора сформулированы основные пути повышения качества укрепленных материалов, твердеющих при отрицательных температурах. Решение этих задач сводится к разработке новых противо-морозных составов полифункционального действия и совершенствованию технологии зимнего строительства дорожных одежд из ЦЩС с добавками.

Так, в последние годы рекомендуют применять при зимнем бетонировании новые противоморозные добавки органического и неорганического происхождения с использованием отходов и полупродуктов нефтехимического и других промышленных производств.

Хорошо зарекомендовали себя добавки в виде органических солей натрия

(ацетаты и формиаты). Отходом производства Новосибирского и Губахинскс {Пермская область) химических заводов является ФТП - фильтрат технического ш таэритрита, нашедший применение в растворных и бетонных смесях. Раствор Ф' содержит: в среднем 25% формиата натрия (НСООНа) - противоморозный комг нент с пластифицирующими свойствами, н около 6% пентаэритрита (С(СН2ОН)4 пластификатор цементных систем.

В основу работы положена рабочая гипотеза о возможности применения ФТТ качестве противоморозной добавки к Ц1ЦС, укладываемым в основания дорог п отрицательных температурах, и разработка эффективных комплексных составов и лифункционального действия на основе ФТП с использованием ускорителя твер/ ния - хлористого кальция и суперпластификатора С-3.

Включенный в комплексный состав суперпластификатор предназначен д снижения влажности, улучшения технологических свойств и повышения плотное ЦЩС, Хлорид кальция, помимо ускорения твердения, способствует усиленш противоморозного эффекта формиата натрия, а его пониженная дозировка препятс вует развитию деструкции в процессе твердения материала.

Во второй главе приведены характеристика материалов и основные методы и следований.

В работе использованы карбонатные породы Казанского и Татарского ярусо представляющие собой напластования неоднородных по прочности известняка Существующие прослойки глинистых грунтов затрудняют процесс получения чи того щебня. Некондиционные щебеночные смеси малопригодны для устройства н сущих слоев дорожных одежд без специальных мероприятий по улучшению их к честв - прочности и морозостойкости.

Для укрепления щебеночных смесей применен наиболее рекомендуемый да дорожного строительства портландцемент Ново-Ульяновского завода ПЦ 400-Д0-(ГОСТ 10178-85). Минералогический состав цемента: СзБ - 58%; С2Й - 17%; С3А 8%; С4АР - 13%.

Решающими факторами, повлиявшими на выбор противоморозных составо явились: расчетная температура и условия твердения ЦЩС в конструкциях дорог ных одежд, интенсивность набора прочности, ограничения по применению и сто! мость добавок. В качестве основного компонента противоморозного состава приш фильтрат технического пентаэритрита (ФТП) ТУ 6-05-231-332-86. Противоморозны компонентом ФТП является формиат натрия - натриевая соль муравьиной кислоты.

Для ускорения процессов твердения ЦЩС при отрицательных температуре применен кристаллический хлорид кальция. Добавка суперпластификатора С-3 И( пользована для улучшения технологических свойств смесей. Для оптимизации пр< цессов твердения ЦЩС и получения материала с заданными свойствами использова полный факторный эксперимент и контурно-графический анализ по схем В.Клеймана. За варьируемые факторы приняты параметры состава противоморозны добавок: ФТП, СаС12 и С-3. Математические модели процессов представлены в вид уравнений регрессии. При двухфакторном эксперименте путем контурн« графического анализа получены формы поверхности откликов без составления

ттематического описания.

Оценка точности и надежности измерений определена с учетом основных по-южений теории случайных ошибок. Полученные экспериментальные зависимости [роверены на воспроизводимость и адекватность по соответствующим критериям.

При исследованиях физико-химических процессов взаимодействия в системе юртландцемент-противоморозные реагенты при отрицательных температурах ис-гользовался комплекс методов дифференциально-термического (ДТА), рентгенографического анализов (РГА) и электронной микроскопии.

В третьей главе изложены результаты подбора противоморозных добавок. Изу-1ена кинетика твердения ЦЩС при отрицательных температурах и проанализировано ¡лияние каждого из компонентов на изменения прочности и морозостойкости мате->иала. Определены показатели необходимых строительно-технических свойств для »асчета дорожных одежд по основным критериям.

Первоначально выполнен анализ влияния на прочность ЦЩС, твердевших при емпературе от 0°С до -15°С, основного компонента противоморозного состава -DTO. Содержание цемента составляло 7+10 % от массы щебеночной смеси.

Установлено, что ЦЩС с добавками ФТП способны твердеть и при -15°С, ю для набора прочности, соответствующей требованиям ГОСТ 24211-80, содержаще противоморозного компонента должно быть не менее 5% от массы цемента.

Замораживание ЦЩС со слабой начальной прочностью приводит к необрати-шм последствиям. Для ускорения твердения ЦЩС в раннем возрасте при отрица-■ельных температурах применен хлористый кальций.

Для улучшения технологических свойств ЦЩС, имевших жесткость 45 с. (по радации ГОСТ 7473-94), в состав добавок введен суперпластификатор С-3.

Анализ влияния компонентов противоморозных составов на свойства материа-ia выполнен по контурно-графической схеме (рис.1). Установлено, что прочность при :жатии материала растет с увеличением расхода СаС12 и ФТП. Равнопрочные показа-ели (8,5+9 МПа) получены при следующих вариантах дозировок: 1) СаС12 0+4%; 2) PTI1 0+10%; 3) CaCI2 2% и ФТП 5%. Дальнейший рост прочности (до 12 МПа) >бусловлен повышенным содержанием ФТП (до 15%).

Иная тенденция просматривается при наблюдении за изменением морозостой-сости ЦЩС, которая возросла от 7 до 45 циклов замораживания-оттаивания при уве-шчении добавок ФТП до 15%. Установлено, что хлористый кальций в присутствии 1>ТП не оказывает влияния на морозостойкость. Более того, при содержании ФТП 5+10% добавка СаС12 не должна превышать 2%. Вводить СаС12 в смеси при дальней-лем увеличении расхода ФТП не следует. Стрелками R и F (рис.1) показано направ-1ение крутого восхождения при поиске экстремальных значений прочности и морозо-:тойкости.

При постоянном содержании ФТП и СаС12 увеличение расхода С-3 от 0 до 2% ;пособствует повышению морозостойкости от F20 до F50 вследствие снижения со-тержания жидкой фазы в смеси. Прочность при сжатии возростает незначительно (до 15%). Практически 100 циклов испытаний до полного разрушения выдержали образцы смесей с 15%-ным содержанием ФТП и с комплексной добавкой в составе 5% ФТП, 2% СаС12, 2% С-3.

Характер изменения прочности в зависимости от составов и режима твердения смесей приведен на рис.2. Наибольшая прочность в возрасте 28 суток при -15 С достигнута смесями с максимальным содержанием СаС12 (смеси 2 и 3). Замедленное упрочнение смеси 5 связано с минимальным содержанием противоморозных добавок. Дальнейшее твердение в нормальных условиях свидетельствует о приоритетном влиянии ФТП: чем больше дозировка, тем выше прочность. Суперпластификатор не внес существенных изменений в характер твердения смесей (смесь 7).

Отмечен прирост прочности материала в поздние сроки (56-5-90 суток) твердения в нормальных условиях, который составил 100-200% в зависимости от содержания добавок. В соответствии с требованиями ГОСТ 24211-80 к противоморозным добавкам материал имел не менее 90% марочной прочности (М100), кроме смеси 2, прочность которой соответствовала М75.

Материалы нежестких дорожных одежд наряду с прочностью при сжатии и морозостойкостью должны соответствовать расчетным значениям модуля упругости (Еу) и прочности на растяжение при изгибе (R„,r). Влияние комплексных добавок на СТС обработанного материала приведено в таблице. Цементощебеночные смеси составов 3, 4, 6 соответствуют I классу прочности с модулем упругости 550+800 МПа. Остальные составы смесей отвечают II классу прочности с модулем упругости 350530 МПа, кроме смеси 1, которая относится к III классу. Изолинии модулей упругости (рис.3) хорошо согласуются с изолиниями плотности (у) материала. Изменения показателей Еу обусловлены содержанием ФТП и хлористого кальция. Суперпластификатор, хотя и способствует увеличению плотности, показатели модуля упругости не изменяет (таблица).

Интерес вызывает характер зависимости R„3r и жесткости укрепляемого материала (RC)K /Rlrir) от состава комплексных добавок (рис.4). Известно, что это соотношение характеризует, до некоторой степени, деформативность и трещиностойкость ЦЩС в конструктивных слоях дорожных одежд (по И.М.Грушко).

Введение комплексной добавки, составляющие которой проявляют синергети-ческий эффект, способствует повышению сопротивления растягивающим напряжениям более чем в 4 раза по сравнению с ЦЩС без добавок. Наибольшая деформативность материала отмечена при содержании 10+15% ФТП и 0+2% СаС12. Добавки суперпластификатора также способствуют уменьшению соотношения RC/K/R,ra вследствие возросшего на 20+25% показателя R„,r.

Для применения ЦЩС в основаниях капитальных типов дорожных одежд марка по прочности должна быть не ниже M 60, по морозостойкости - F-25. Разработанные составы ЦЩС с добавками соответствуют требованиям ГОСТ 23558-94 применительно к природно-климатическим условиям Татарстана.

В четвертой главе приводятся результаты исследования физико-химических процессов взаимодействия в системе портландцемент-прогивоморозные реагенты. В работе использованы рентгенографический, дифференциально-термический и термогравиметрический, электронно-микроскопический методы анализа структуры цементного камня.

Определено влияние компонентного состава добавок на степень гидратации цемента, качественный и количественный состав продуктов твердения после 28 суток

Рис. 1. Влияние компонентов противоморозных составов на прочность при сжатии и морозостойкость ЦЩС.

-----прочность при сжатии, МПа

-:--морозостойкость, количество циклов

1 - ЦЩС; 2 - ЦЩС + 4% СаС1г; 3 - ЦЩС + 15% ФТП + 4% СаС12;

4 - ЦЩС + 15% ФТП; 5 - ЦЩС + 5% ФТП + 2% СаС!, ;

6 - ЦЩС +• 10% ФТП + 2% СаС12; 7 - ЦЩС + 5% ФТП + 2% СаС13 +1% С-3.

к о

о ы

я

о о

я

_ с

Я о

» 2

5 £2

1 §

П> д

СО »-<

2 ^

в -л

<и п

ег>

Л

¡3

о о>

е о

о о

Я 1=1 о

г *

К)

о

•л

о

о о

Плотность, кг/см3

-С*

(Л

ю о

Жесткость смесей, с.

о о

о

Водопоглощение образцов ЦЩС, % масс.

к>

(•Л

К)

о

•й. Ь\

оо

мэ Оч

•1° Ъ<

ю N1

о

о

о

ы

а

СО О о л

СП Т"

а тз ■п о

ц <г

с

о а Я

« п

о 5» к

1 р II р>

о

и) о

Морозостойкость, колич. циклов

ю

"(О

ю

С\

м

ю

ы

У

оо

Э <» 5. ®

о> к Г» то

—1 ы о

о

и\ О!

-о о

а

о\ о

К)

-й.

Рис.3. Влияние компонентов противоморзных составов на модуль упругости и плотность ЦЩС.

----. плотность, «ш--модуль упругости, МПа

-----жесткость, ?с-ж -- прочность на растяжение

Кизг при изгибе, МПа

при температуре -15°С и последующего 28-суточного твердения в нормальных у< виях.

Установлено, что во всех образцах цементных камней присутствуют ни ратированные фазы исходного портландцемента, новообразования - преимущссп но высокоосновные и в меньшей степени низкоосновные гидросиликаты кальци также портландит (Са(ОН)2) и карбонат кальция (СаС03). В цементных камня добавкой СаС12 после дополнительного твердения в нормальных услов: среди новообразований присутствует гидрохлоралюминат кальция ЗСаОА1203СаС12-10Н20.

В ЦЩС наряду с вышеогмеченньши новообразованиями присутствует га; карбоалюминат кальция - ЗСаО-А12Оз-СаОз-11Н20 (по С.М.Рояку).

На основании дифракгограмм и термоаналитических кривых выявлено, образование и рост гидратиых соединений в образцах цементных камней с про™ морозными реагентами осуществляется преимущественно за счет силикатных М1 ралов. Алюминаты и алюмоферриты прогидратировали значительно слабее.

По данным рентгенографических исследований с помощью интерактив компьютерной программы "Х11УТООЬ" произведен расчет относительного содер ния аморфной и кристаллической составляющих в цементных камнях.

Преобладание аморфной фазы после 28-суточного твердения при отрицап ной температуре свидетельствует о начальной стадии гидратации цемента. В цем( ных камнях, дополнительно твердевших в нормальных условиях, перераспределе соотношения фаз в сторону увеличения аморфной связано с присутствием более ) персных гидратных новообразований (гидросиликатов кальция) и достаточно глуб зашедшим гидратационным преобразованием.

Степень гидратации (СГ) цементного камня с различными добавками опр< лялась по соотношению интенсивности рефлексов на дифрактограммах непроги; тировавших минералов клинкера и рефлексов гидратных новообразований (п< ландита, двухкальциевых гидросиликатов). При термическом исследовании реп рировались потери массы (ПМ) при нагревании и оценивалась степень гидратащ пределах соответствующего эффекта на термоаналитической кривой.

По результатам определения СГ и ПМ построены графики зависимости щ ности при сжатии (1^ж) от относительной величины СГ и интегрального значения цементных камней. Прослеживается связь между степенью гидратации и прочное при сжатии: с ростом степени гидратации увеличивается прочность цементных I ней. После обработки результатов анализа на ЭВМ получены соответствующие тематические описания.

Степень гидратации количественно отражает появление в цементном ка кристаллогидратных фаз. Упрочнение структуры связано, з первую очередь, с о зованием гидросиликатов кальция, увеличивающих плотность кристаллизован контактов.

Анализ влияния реагентов на процесс гидратации подтвердил способность бавок ФТП также ускорять процессы формирования кристаллогидратов как при о цательпой температуре, так и при последующем твердении в нормальных услов Об этом свидетельствуют показатели СГ (0,58) и ПМ (19,1%) цементного камня с (

ТП и продолжающееся увеличение при дополнительном твердении (прирост на 7,2% и 0,9% соответственно). Цементный камень с 3% СаС12 характеризуется высо-)й степенью гидратации (СГ=0,7 и ПМ=19,3%) лишь при твердении в условиях от-щательных температур, при дальнейшем твердении отмечена замедленная гидратами. Суперпласгафикатор, в отличие от хлорида кальция, влияет на повышение СГ в мювиях нормального твердения. В цементном камне с 2%-ым содержанием С-3 за-иксировано наибольшее увеличение степени гидратации при последующем тверде-яи в нормальных условиях (СГ на 67,5%, ПМ на 4,5%). Эффективное воздействие -3 обусловлено снижением водопотрсбности, что привело к уменьшению деструк-1ВПОГО влияния жидкой фазы при отрицательной температуре.

Разрушение цементощебеночных образцов происходит преимущественно по затактной зоне цементного камня и заполнителя, что по данным элекгронно-икроскопических исследований с элементами рентгеноспектрального микроанализа ызвано понижением ее плотности, прочности и толщины. Присутствие ФТП в соста-з ЦЩС создает предпосылки к уплотнению кристаллизационной структуры цемент-ого камня, а также к увеличению прочности и толщины контактного слоя с заполни-;лем.

Сравнение эффективности двух-(без суперпластификатора) и трехкомпонент-ых составов противоморозных добавок свидетельствует в пользу последних. При аличии ФТП, СаС12 и С-3 отмечена наибольшая интенсивность физико-химических роцессов твердения и максимальная прочность цементного камня как во всем объе-е, так и на границе с заполнителем.

В пятой главе приведены результаты исследования влияния технологических акторов на строительно-технические свойства обработанных материалов.

На первом этапе определена зависимость плотности и прочности цементоще-еночных материалов от содержания вяжущего и воды в смесях. Найдена оптималь-ая влажность, соответствующая максимальной плотности материала. Увеличение асхода цемента закономерно приводит к росту прочности материала. Учитывая, что ребованиями нормативно-технических документов не предусмотрена марка по рочности выше М100, верхний предел содержания цемента в смесях целесообразно граничить величиной 9+10%. ЦЩС характеризуются значительной технологиче-кой жесткостью. Улучшение удобоукладываемости за счет увеличения расхода во-ы нецелесообразно, т.к. происходит снижение плотности и деформативной способ-ости материала и увеличение деструкции при отрицательных температурах.

В дальнейшем было изучено влияние комплексных добавок на технологиче-кие свойства смесей по контурно-графической схеме. Испытания проведены на оп-имально увлажненных смесях с 9%-ой добавкой цемента. Одновременно с жестко-тыо определяли плотность смесей. Установлено, что добавки ФТП способствуют по-ышению плотности и существенно снижают технологическую жесткость смесей при рочих равных условиях. Влияние хлористого кальция на те же параметры практичс-ки не отмечается.

Удобоукладываемость ЦЩС связана с продолжительностью и температурой ыдерживания смесей. Трехчасовое вылеживание до момента уплотнения в 5-6 раз величивает жесткость смесей. При отрицательных температурах удобоукладывае-

мость смесей сохраняется дольше, чему способствуют протнвоморозные добавки, преимущественно ФТП. Смеси могут быть выдержаны в течение 1-2 часов до уплотнения в зависимости от содержания добавок и условий производства работ.

Технологический режим приготовления ЦЩС с добавками, в частности введение компонентов и время перемешивания в смесителях принудительного действия, сказывается на качестве смесей. Сравнивали два способа перемешивания :

1) в природную щебеночную смесь с расчетным количеством водного раствора добавок вводили цемент;

2) от щебеночной смеси отсеивали мелкозернистую часть (размеры частиц мельче 2,5 мм), перемешивали с цементом и половиной раствора добавок, а затем объединяли с крупнозернистой составляющей, увлажненной остальным количеством раствора.

Второй способ приготовления смесей позволил увеличить однородность. При этом коэффициент вариации в лабораторных условиях уменьшился с 0,17-И),27 до 0,08+0,16 в зависимости от содержания вяжущего. Прочность материала увеличилась на 10-26% по сравнению с показателями 1-го способа приготовления смесей. Отмеченное упрочнение достоверно, поскольку его величина согласно "правилу трех стандартов" превысила тройную ошибку опыта.

Время перемешивания оптимально увлажненных смесей изменяли в пределах 90+150 е.. После 120 с. перемешивания была получена наиболее однородная смесь (коэффициент вариации 0,08).

Для создания эффективных условий твердения в зимний период был исследован режим уплотнения ЦЩС. Использовали два способа приложения уплотняющей нагрузки: стандартный и вибрационный. Независимо от способа уплотнения максимальные плотность и прочность достигнуты в смесях с оптимальной влажностью. Но в условиях даже небольшого переувлажнения (на 2+4%) предпочтительнее виброуплотнение. При стандартном уплотнении необходимо более точное дозирование воды, поскольку даже незначительный избыток влаги приводит к двукратной потере прочности.

Нарастание прочности при зимнем твердении смесей существенно зависит от температуры замерзания водных растворов противоморозных компонентов. Влияние вещественного и количественного составов добавок на температуру замерзания проанализировано методом планирования эксперимента по Д-оптимальному плану второго порядка. В качестве независимых переменных принято содержание противоморозных компонентов в пересчете на сухое вещество. Получена математическая модель процесса:

1 = -12.9-0,78Х1-2.78Х2-0.22Хз-1.25Х2-0,15Хз .

В наибольшей степени понижает температуру замерзания воды затворения ФТП (Х2), в меньшей степени сказывается влияние СаС12 (X]) и практически не влияет на процесс содержание С-3 (Х3).

Таким образом, составы противоморозных компонентов можно назначить по температурам замерзания, которые определены с использованием уравнений регрессии.

По результатам выполненных исследований разработаны рекомендации для строительства оснований из ЦЩС в зимнее время, в состав которых включены следующие основные разделы: общие положения, технология приготовления ЦЩС с противоморозными добавками, устройство оснований дорожных одежд, контроль качества работ, мероприятия по охране труда.

Шестая глава посвящена опытно-производственному внедрению и технико-экономическому обоснованию зимнего строительства оснований дорожных одежд из ЦЩС.

Из заводских партий ЦЩС с добавками были сформованы образцы, твердевшие под открытым небом аналогично опытному участку. Плотности смесей в образцах и на опытном участке практически не отличались. После 90-суточного твердения прочность образцов смесей достигла 86+105% марочной (М100). Морозостойкость превысила требования ГОСТ, предъявляемые к цементощебеночным материалам для эксплуатации во П-Ш дорожно-климатических зонах.

После устройства двухслойного асфальтобетонного покрытия толщиной 0,13 м. участок сдан в эксплуатацию. Круглогодичное наблюдение за состоянием дорожной одежды свидетельствует об отсутствии разрушений на опытном участке.

При устройстве цементощебеночиых слоев в зимнее время имеет место удорожание стоимости производства работ, которое зависит от методов выдерживания ЦЩС.

На примере бетонов показано преимущество использования противоморозных добавок перед методами прогрева. Экономические расчеты убеждают в целесообразности применения добавок к цементощебеночным смесям. При сравнении стоимости работ определен экономический эффект от применения разработанных составов на основе ФТП взамен добавок на основе нитрита натрия в размере 13 руб/м3 в ценах 1999 года

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований разработаны составы противоморозных добавок для ЦЩС и усовершенствована технология производства работ по устройству цементощебеночиых оснований при отрицательных температурах, позволяющие продлить дорожно-строительный сезон и повысить эксплуатационные качества материала в дорожных одеждах.

2. Исследована кинетика твердения ЦЩС при знакопеременных температурных режимах. Использование однокомпонентных противоморозных добавок, содержащих ФТП менее 4,5%, не эффективно при -10 + -15°С. Разработаны комплексные добавки на основе ФТП, включающие пластификаторы и ускорители твердения. Изу- < чено влияние каждого из компонентов на физико-механические свойства материала и определены оптимальные составы смесей. ЦЩС с противоморозными составами удовлетворяют нормативным требованиям по прочности, морозостойкости и отличаются повышенными показателями трещиностойкости, сопротивления растяжению при изгибе, модуля упругости.

3. Установлена зависимость прочности цементного камня от степени гидрат ции портландцемента в присутствии исследованных противоморозных реагенте связанная с увеличением плотности при образовании новых кристаллогидратных ф вследствие растворения алита. Дано математическое описание полученных завис мостей при твердении в условиях знакопеременных температур. Добавки ФТП уск ряют процесс гидратации в течение всего периода твердения при отрицательных положительны х температурах. Хлористый кальций заметно ускоряет гидратавд только в начале твердения при минусовой температуре, а добавки С-3 усилива! гидратацию в процессе дополнительного твердения в нормальных условиях. Опт мальным принят трехкомпонентный противоморозный состав, характеризующий наибольшей интенсивностью физико-химических процессов взаимодействия реагс тов.

4. Выполнен анализ влияния технологических параметров на строительн технические свойства ЦЩС. Показано, что присутствие разработанных протипоу розных добавок улучшает удобоукладываемость и повышает плотность материа. Разработана последовательность введения компонентов смесей, повышающая прс ность и однородность материала. Изучено влияние режима уплотнения на свойст ЦЩС. Стандартный и вибрационный способы воздействия на оптимально увлажни ную смесь одинаково эффективны, в условиях переувлажнения смесей стандарта уплотнение нецелесообразно,

5. Показана зависимость температуры замерзания воды затворения от коли1 ственного и вещественного составов добавок. Математическая модель процесса I зволила выделить в качестве основного противоморозного компонента - ФТП. В полнена оптимизация противоморозных составов по стоимости и содержанию до( вок в зависимости от температуры замерзания.

6. Разработаны рекомендации по устройству цементощебеночных основанш зимних условиях. Установлены затраты труда и материальных ресурсов на едши измерения при приготовлении ЦЩС. Выполнено опытно-производственное стр<. тельство цеменгощебеночного основания в зимних условиях. Круглогодичное набл дение за участком дороги подтвердило хорошее эксплуатационное состояние у женного слоя и конструкции дорожной одежды. Определена технико-экономичес] эффективность применения разработанных составов противоморозных добавок обоснована целесообразность зимнего строительства цементощебеночных основан Экономический эффект, в случае продления на 2 месяца строительного сезона I устройстве цементощебеночного основания, составит 35000 руб. на 1 км дороги в нах 1999 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вдовии Е.А., Брехман А.И. К вопросу продления дорожно-строительн сезона. // Сборник научных трудов,- Казань, КазГАСА, 1998. - С. 184-185.

2. Вдовин Е.А. Влияние добавки ФТП в крупнопористом бетоне на основе ментощебеночных смесей, твердеющих при отрицательных температурах. // Сбор] научных трудов аспирантов,- Казань, КазГАСА, 1999.-С. 107-108.

3. Вдовин Е.А., Хабибуллина Э.Н. Об эксплуатационных качествах цементо-щебеночных смесей, твердевших при пониженных температурах воздуха.// Автомобиль и техносфера./ Труды I Международной научно-практической конференции. -Казань, КГТУ им. Туполева, 1999. - С. 420-421.

4. Вдовин Е.А., Брехман А.И. Комплексная противоморозная добавка в це-ментощсбеночных смесях, твердеющих при отрицательных температурах. // Строи-тельство-99./ Тезисы докладов юбилейной Международной научно-практической конференции. - Ростов на Дону, РГСУ, 1999. - С.ЗО.

5. Вдовин Е.А. Исследование крупнопористого бетона на основе цементоще-беночных смесей, твердеющих при отрицательных температурах. // Современные проблемы строительного материаловедения" (Четвертые академические чтения РААСН)./ Материалы Международной научно-технической конференции, 4.1. -Пенза, ПГАСА, 1998.-С. 114-115.

6. Брехман А.И., Вдовин Е.А. Повышение эффективности добавки ФТП в це-ментощебеночных смесях, твердеющих при отрицательных температурах. // Композиционные строительные материалы. Теория и практика./ Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции, 4,1. - Пенза, ПГАСА и ПДЗ, 2000.-С. 45-46.

7. Вдовин Е.А., Андреев Е.И. Цементощебеночные смеси, твердеющие при пониженных температурах воздуха. // Строительные материалы и изделия./ Сборник научных трудов.-Магнитогорск, МГТУ, 2000.-С. 161-165.

8. Андреев Е.И., Вдовиц Е.А. Рациональное использование карбонатных пород низкой прочности, при устройстве оснований автодорог. // Строительные материалы и изделия./ Сборник научных трудов. - Магнитогорск, МГТУ, 2000. - С. 158161.

9. Vdovin Е.А., Khabibullina E.N. On service properties of crushed stone-cement mixtures hardening at low temperatures of air. // The First International conference "Automobile & technosphere". - Kazan: KSTU named after A.N. Tupolev.- 1999, S. 197-198.