автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Управление процессами структурообразования и твердения модифицированных цементных систем применительно к условиям сухого и жаркого климата

Мохаммед Хельми Абдель Мохти Таман

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ТВЕРДЕНИЯ МОДИФИЦИРОВ А1ШЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ СУХОГО И ЖАРКОГО КЛИМАТА

Специальность 05.23.05 - строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з ОКТ 2011

Воронеж -2011

4857235

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шмитько Евгений Иванович

Официальные оппонент: доктор технических наук, профессор Макридаш Николай Иванович

кандидат технических наук, доцент Панфилов Дмитрий Вячеславович

Ведущая организация: Государственное обрачовательное учрежде-

ние высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (г. Липецк)

Защита диссертации состоится 28 октября 2011 г. в 12°°часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образовать «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летая Октября, 84, аудитория 3220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 28 сенгября2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Управление процессами влагоперсноса и влажност-ного состояния цементного бетона, правильная оценка критерия влагопотерь при выборе технологии бетонирования и режимов твердения, учет влияния этих процессов на основные свойства бетонов не одно десятилетие являются ключевыми вопросами технологии бетона. Особенно это актуально в настоящее время, когда широкое распространение получило монолитное строительство зданий и сооружений. При этом на первый план выходят задачи создания оптимальных условий процесса твердения, обеспечивающих получение бетона с заданными характеристиками. Актуальность этой проблемы в России особенно наглядно проявилась жарким летом 2010 года, когда, несмотря на меры ухода за бетоном, на некоторых объектах в монолитных конструкциях появились трещины, бетон не добрал заданную прочность. Так как автор диссертации намерен результаты своих исследований рекомендовать для применения в условиях сухого и жаркого климата Египта, то актуальность работы усиливается. Главная задача этой работы сводится к тому, чтобы установить насколько изменятся изначальные характеристики бетона в условиях сухого и жаркого климата, как повлияет вид и количество добавок на прочность и структуру полученного бетона. Представляют интерес так же данные, относящиеся к ранней стадии структурообразования цементных систем с добавками, на которой основополагающими являются процессы, протекающие на межфазных границах и обусловливающие самоорганизацию ранней структуры цементной системы.

На основании вышеизложенного в работе были сформулированы следующие цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является: выявить особенности гидратации и твердения цементных бетонов в широком диапазоне В/Ц-отношения и влажности среды твердения, предложить'рекомендация по обеспечению высокого качества монолитного бетона, твердеющего в условиях сухого и жаркого климата.

Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

- оценить роль влажностного фактора в процессах твердения и структурообразования цементного камня;

- изучить закономерности изменения влажностного состояния бездобавочпо-го цементного камня в различных температурно-влажностных условиях;

- рассмотреть состав основных добавок, используемых в бетоноведении на предмет возможного их влияния на баланс влаги в бетоне, в этом плане классифицировать добавки по их определяющим признакам;

- исследовать влияние добавок-замедлителей твердения на влажностное состояние бетона в широком диапазоне температурных и влажностных условий среды твердения;

- исследовать влияние добавок-пластификаторов на влажностное состояние бетона в широком диапазоне температурных и влажностных условий среды твер-' дения;

- исследовать влияние добавок, повышающих водоудержнвающую способ-

ность смеси на влажностное состояние бетона в широком диапазоне температурных и влажностных условий среды твердения;

- исследовать влияние комплексных добавок, включающих в свой состав микрокремнезем, на влажностное состояние цементного камня и бетона;

- оптимизировать состав бетона за счет применения добавок с целью получения заданных показателей свойств в условиях сухого и жаркого климата;

- осуществить практическое использование результатов исследований.

Научная новизна работы:

1) разработаны новые методологические подходы к исследованию процессов формирования структуры бетонов в условиях пониженной влажности среды твердения;

2) уточнены представления о механизме влагообмена и влажностного состояния твердеющего цементного камня со средой в условиях пониженной влажности среды твердения;

3) получены новые данные о влиянии вида добавки на процессы раннего структурообразования цементно-водной дисперсии;

4) показано, что в качестве исчерпывающей характеристики процесса твердения цементной системы можно рассматривать степень заполнения порового пространства водой: чем выше этот показатель, тем быстрее и в более полной мере протекают гидратационные и структурообразующие процессы, тем совершеннее структура цементного камня;

5) показано, что для монолитных конструкций, формуемых в условиях сухого и жаркого климата предпочтительными являются бетоны, содержащие в своем исходном составе комплексную добавку, включающую суперпластификатор и микрокремнезем.

Достоверность результатов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств и методов измерений; применением современных микроскопических и физико-химических методов; использованием статистической обработки результатов экспериментов; полученные данные в своей основе не противоречат известным научным положениям и результатам других авторов.

Практическая значимость работы. В целом выполненная работа определила условия эффективного применения монолитного бетона в условиях сухого и жаркого климата, в том числе:

- определен диапазон влажностных условий, обеспечивающих интенсивную гидратацию цемента в бетоне и нарастание его прочности;

- для любых влажностных условий обоснованы наиболее благоприятные значения исходного В/Ц-отношения в бетоне;

- показана целесообразность или нецелесообразность использования химических добавок различных видов применительно к конкретным влажностным условиям;

- показана целесообразность применения в условиях сухого и жаркого климата комплексных добавок, содержащих в своем составе суперпластификатор и микрокремнезем;

- разработаны и рекомендованы составы мелкозернистого бетона для

условий сухого и жаркого климата;

- показана экономическая целесообразность применения рекомендованных составов монолитного бетона.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 65-й и 66-й Всероссийских научно-практических конференциях «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж 2010, 2011), на НТК ВГАСУ 2010 и 2011 гг.

Внедрение результатов. Научно-практические результаты диссертационных исследований реализованы в производственном процессе ОАО «Завод ЖБК» (г. Воронеж). Методические разработки и результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям: 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистрантов направления «Строительство» по программе «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».

На защиту выносятся:

1) теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения основополагающих положений теории дисперсных систем к определению благоприятных влажностных границ твердения цементных бетонов;

2) методы и методики исследования свойств и структуры цементно-водной дисперсии и цементного камня, модифицированных добавками различного действия и твердеющего в условиях пониженной влажности;

3) результаты экспериментальных исследований влияния пониженной влажности среды твердения на процессы структурообразования и твердения цементного камня;

4) результаты экспериментальных исследований структуры и свойств цементного камня, модифицированного различными добавками, твердевшего в условиях пониженной влажности и повышенной температуры среды твердения;

5) результаты исследований влияния добавок на основные физико-механические характеристики бетонов при их твердении в условиях пониженной влажности и повышенной температуры среды твердения.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 4 опубликованных научных статьях, в том числе в 2 изданиях определенных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка из 99 наименований; изложена на 157 страницах, в том числе 101 страница машинописного текста, 13 таблиц, 52 рисунка, 2 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность доц. Верлиной H.A. за оказанную консультативную помощь при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая

значимость результатов работы, сформулированы основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ литературных данных по влиянию температурного и влажностного факторов на процессы твердения бетонов, при этом использованы труды ведущих отечественных и зарубежных ученых, в том числе, Ю. М. Баженова, A.M. Невиля, A.B. Волженского, В.В. Помазкова, Б.А. Крылова, В. Б. Ратинова и других. Показано, что основными факторами, определяющими параметры процесса структурообразования и саму структуру и свойства цементной системы являются: факторы содержания воды - влажностный фактор и температура среды твердения - температурный фактор.

Влажностный фактор играет двоякую роль: на стадии раннего структурообразования определяет тот или иной тип структуры дисперсной системы «цемент-вода», а на стадии твердения выступает в роли реагента, и здесь на первый план выходит влияние влажности среды твердения. Что касается температурного фактора, то повышение или понижение температуры оказывает значительное влияния, прежде всего, на скорость протекания реакций. Особенностью данной диссертационной работы является исследование процессов структурообразования в условиях сухого и жаркого климата, характерного для Египта. Твердение бетона при монолитном строительстве в климате, характерном для Египта, независимо от сезона, происходит фактически в экстремальных условиях: при низких значениях влажности среды твердения (20-30 %) и повышенных температурах (до 50 °С).

Большинство из рассмотренных литературных данных, касающихся влияния влажности и температуры среды твердения, относятся к «чистым» цементным системам - системам без добавок модификаторов различного действия. В настоящее время бетон без добавок практически не используется, и здесь выявляются свои особенности процесса структурообразования на всех его стадиях. Исследования, касающиеся влияния добавок различного вида на процессы твердения, структуру и свойства бетона, проводились такими учеными, как Айрапегов Е.В., Батраков В.Г., Москвин В.М. и другими. Однако, полученные ими данные касаются цементного камня и бетона, твердевшего в нормальных условиях. Отсутствуют так же данные, относящиеся к ранней стадии структурообразования, на которой основополагающими являются процессы, протекающие на межфазных границах и обусловливающих самоорганизацию ранней структуры цементной системы. Установлено, что эти процессы связаны с проявлением внутренних сил (поверхностного натяжения и капиллярно-пленочного давления) в системе, введение же добавок-модификаторов различного действия и природы, вносит значительные изменения в баланс этих сил, и, как следствие, в ход процесса самоорганизации структуры. В дальнейшем эти особенности должны повлиять и на ход процесса твердения цементного камня.

Выдвинута рабочая гипотеза, заключающаяся в том, что при введении в цементосодержащую систему добавок-модификаторов различного действия и природы происходит изменение баланса внутренних сил в системе, под влиянием которого формируется ранняя структура с определённым типом связи воды и эта

ранняя структура будет оказывать вполне определенное влияние на влажностное состояние и дальнейший процесс твердения системы.

Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены методологические и методические подходы к исследованию влажностного состояния системы «цемент-вода» и влиянию добавок различного типа на процессы структурообразования и твердения цементного камня и бетона.

В исследованиях для снижения отрицательного воздействия условий сухого и жаркого климата на структуру и свойства цементного камня были использованы четыре вида добавок:

1) добавки-пластификаторы - обеспечивают снижение В/Ц-отношения, уплотняют структуру цементного теста и тем самым повышают водоудерживаклцую способность;

2) замедлители твердения - замедляют процессы схватывания и начального твердения цементных минералов;

3) добавки, повышающие водоудерживающую способность смеси;

4) комплексные добавки-модификаторы, состоящие из суперпластифнкаторов и микрокремнезема.

Исследования проводились в два этапа.

На первом этапе исследований изучалось влияние начального влажностного состояния системы «цемент-вода» на ход процесса структурообразования в различных температурно-влажностных условиях, начиная с ранней стадии формирования структуры и заканчивая длительными сроками твердения.

На втором этапе проводились исследования влияния добавок различного действия на процесс твердения в заданных температурно-влажностных условиях. При этом экспериментальные исследования так же начинались с ранней стадии структурообразования, на которой изучалось влияние содержания воды и количества добавок на раннюю структуру системы «цемент-вода-добавка».

Использовались сырьевые материалы, удовлетворяющие : требованиям стандартов: портландцемент (ЦЕМ I по ГОСТ 31108-2003) производства Старооскольского цементного завода, суперпластификатор СП-3 (ТУ 6-36-020 -429-625), добавка ГГТМ (ТУ 5745-008-53268843-2007), полимерная добавка эфира целлюлозы фирмы «Clariant» - Tylose МН 60010 Р4, замедлитель твердения Sika Retarder и микрокремнезем.

Изучение влияния количества воды, вида и расхода добавок fia процесс формирования ранней структуры свободноуложенной цементно-водной системы сводилось к определению количественных характеристик созданной структуры по показателю ее плотности. По экспериментальным результатам строились кривые плотности свободноуложенной композиции «цемент-вода» и «цемент-вода-добавка», на основании которых делались выводы относительно баланса внутренних сил дисперсной системы.

Изучение влияния параметров среды твердения на процессы структурообразования и свойства цементного камня и бетона осуществлялось на образцах, которые твердели при температурах (20+2) °С и (40±2) 'С и влажностях

среды твердения 100, 55 и 20 %. Испытания проводились через 3, 7, 28 и 90 суток. Заданная температура среды твердения обеспечивалась с помощью камеры твердения, влажность - с помощью гидростатов.

Исследование физико-химических свойств сырьевых материалов и определение основных свойств цементного теста, цементного камня и бетона осуществлялось на основе стандартных методик, регламентируемых стандартами. Оценка достоверности полученных результатов проводилась по средним значениям с расчетом среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, которыми оценивалось влияние фактора влажности среды твердения на процессы гидратации и твердения «чистых» цементных систем в широком диапазоне В/Ц-отношений (В/Ц-отношения изменялись от 0,03 до 0,6). При этом формование образцов с В/Ц=0,03-0,18 осуществлялось методом прессования, а с В/Ц=0,24-0,6 - виброуплотнением.

Наибольший интерес представляли результаты исследований, касающиеся особенностей изменения влажностного состояния цементного камня в зависимости от двух определяющих факторов: исходного содержания влаги в твердеющей системе (В/Ц-отношения) и влажности среды твердения.

На рис. 1 представлены результаты исследований изменения во времени общего влажностного баланса образцов с различными значениями В/Ц-отношений и при различных влажностях среды твердения. Здесь графиками, представленными сплошной линией, показано изменение во времени остаточной влажности, а графиками, представленными в виде штрихпунктирной линии - изменение суммарного количества влаги: остаточной (НгОсвоб) и затраченной на гидратацию цемента (Н20связ).

Использование прессованных образцов со строго заданной пористостью позволяет рассматривать влияние на процесс твердения только влажностного фактора. Установлено, что для прессованных образцов степень заполнения объема пор капиллярной водой является определяющим показателем для характеристики интенсивности этих процессов. Так же показано, что в прессованных образцах с тонкой капиллярной пористостью твердеющая система способна обеспечивать свое влажностное состояние за счет поглощения влаги из окружающей среды микрокапиллярами и за счет адсорбционной активности новообразований даже при низких влажностях среды твердения.

В диапазоне В/Ц-отношений от 0,24 до 0,6 структура свежеотформованного цементного теста в отличие от структуры прессованных образцов формируется в основном только под действием внутренних сил и поэтому величина исходной межзерновой пористости изменяется в основном в зависимости только от В/Ц-фактора. Последнее вносит определенные трудности в исследования в сравнении с прессованными образцами, так как появляются новые переменные, затрудняются количественные оценки.

Для образцов с В/Ц-отношениями от 0,28 до 0,4 в первые сутки твердения вне зависимости от начального водосодержания системы и влажности среды твердения (фактора (р) происходит уменьшение общего баланса влаги, что обусло-

Продолжительность твердения, сут.

Рис. 1. Изменение общего влажностного баланса системы во времени -в— остаточная влажность системы —3 - водный балан: системы (Н2Ос„,+Н2Ос^)

влено как быстро текущими процессами гидратации цемента, так и частичным испарением влаги, явлениями седиментации и водоотделения (В/Ц=0,3 и 0,4). В дальнейшем наблюдается положительная динамика изменения водного баланса системы, особенно значительная для самых низких значений В/Ц-отаошений. Уменьшение показателя влажности среды твердения приводит к снижению величины поглощенной извне влаги для всех рассматриваемых значений В/Ц-отношений. Так же необходимо учитывать тот факт, что при этих В/Ц-отношениях еще на ранней стадии структурообразования формируются наиболее благоприятные (так называемые «стесненные») условия твердения системы, что и сводит влияние фактора влажности среды твердения к минимуму.

Определяющим фактором высокой интенсивности испарения влаги в первом периоде является невысокая энергия связи межзерновой воды, обусловленная относительно грубой межзерновой пористостью цементного теста в начале твердения.

Полученные данные позволяют утверждать, что низкие значения В/Ц-отношения обеспечивают наиболее благоприятные условия для твердения цемента. Вместе с тем, постоянный недостаток объемной воды, обусловленный или сверхнизкими значениями исходной влажности системы или низкими

значениями влажности окружающей среды, приводят к избирательной, относительно поверхности зерен цемента, гидратации и анизотропии свойств цементного камня в окрестностях зерна цемента, что в целом понижает его качество.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, которыми оценивалось влияние факторов влажности и температуры среды твердения на процессы гидратации и твердения модифицированных различными добавками цементных систем.

Исследования влияния добавок на процессы структурообразования цементной системы начинались с изучения влияния количества воды на процесс формирования ранней структуры свободноуло-женной цементно-водной дисперсии (рис. 2) с добавками. Полученные результаты сравнивались с эталоном, то есть с кривой плотности бездобавочной системы «цемент-вода».

Как следует из рис. 2 кривые плотности цементной системы с добавками в основных чертах повторяют кривую для «чистой» системы. Здесь, как и для эталона, выделяются три характерные участка, соответствующие разуплотнению и уплотнению системы. Однако добавки вносят изменения в распределение пленочной и капиллярной воды в системе и тем самым, меняют баланс внутренних сил, смещают точку максимума плотности в ту или иную сторону относительно шкалы В/Ц-отношения.

Так, для цементно-водной дисперсии с добавкой - замедлителем за исключением диапазона В/Ц-отношений от начального значения до 0,06 кривая практически точно наложилась на кривую плотности бездобавочной композиции, что с одной стороны подтверждает присущий этим добавкам ме-о,о о.1 о 2 о з 0 4 0.5 о б ханизм действия, а с другой - указывает на В/Ц-отношение То, что плотность отформованных изделий

Рис. 2. Кривые плотности свободноуло- или монолитного бетона будет мало чем женной цементно-водной дисперсии отличаться от эталона.

1-без добавки; Добавка водоудерживающего типа

2- с добавкой замедлитель Д=0,22 %; (Тилоза) кардинально изменила форму кри-

3- с добавкой Тилозы Д=о,5 %; вой плотности, из чего следуют два важных

4- с добавкой СП-3 Д=0,4 %; - ™ ___к„

5- с добавкой гпм д=7,5 % вывода: утолщение за счет действия доба-

вок сольватных оболочек на зернах цемента

снижает общую плотность системы, что не может отрицательно сказаться на свойствах цементного камня; при твердении такой цемерггный камень склонен к значительной усадке.

Добавки-пластификаторы оказывают заметное положительное влияние на раннюю структуру цементно-водной дисперсии. Полученные результаты соответствуют механизму действия этих добавок. Снижение толщины сольватных оболочек на зернах цемента обеспечило столь же высокую плотность системы, как и эталона, а высвобождение части воды затворения из сольватных облочек и перевод ее в капиллярное состояние привело к тому, что максимум капиллярного эффекта (точка О на кривой плотности) проявляется при более низком значении В/Ц-отношения, чем для эталона. Этот факт следует оценить положительно с точки зрения будущих свойств бетона. ,

Наибольшее воздействие на баланс внутренних сил и на раннюю структуру цементно-водной дисперсии оказывает добавка ГПМ, которая относится к классу гиперпластификаторов, для которых помимо основного электростатического эффекта пластификации характерен и дополнительный «стерический» эффект.

Основной интерес представляли результаты исследований, касающиеся особенностей изменения влажностного состояния цементной системы при различных показателях влажности и температуры среды твердения (рис. 3).

б)В/Ц=0,4,

в) В/Ц=0,24, ■р!00%; 1=40 "С

^СП-ЗД«0,8 ЧМКД-5% « .-Тиж>заД-0,5% ^бсэдобаво* . 1й

¡амсллитсль Д=0,22 % и.-юза Д-1,5 %

е)В/Ц=0,24; Ч>=20%;Р40"С

:п-3 Д»0,8%.МКД-5% " /Тилоза Д-1,5 % ¡-Замедлитель Д=0,22% ( \Се4 добавок ТиломД=0,5 54

/ПМД-7,5%. /мкД-15%

>ГПМ Д=7,5 % ЧпМД=7,5%, МК Д-5 %

*

■ —<±=(

■ГГШД-7.5Ч

■ГПМД«7.5% ГПМ Д-7,5 МКД-5У.

Продолжительность твердения, сут.

Рис. 3. Изменение влажности цементного камня в присутствие добавок при ср=20 % и <р=100 %

Для всех видов добавок установлено, что в первые сутки твердения независимо от влажности и температуры среды твердения общее снижение влажности твердеющей системы происходит, в основном, за счет процессов гидратации цемента и внешних потерь (ВЛ 1=0,4).

Введение добавок замедлителя твердения «Зика Ретард» и «Тилозы» в целом практически не влияет на влажностное состояние системы при <р=100 %: в первые 28 суток твердения наблюдается снижение влажности, далее - некоторая положительная динамика (увеличение) влажности. При <р=20 % к 28 суткам твердения в системе устанавливается равновесие на низком влажностном уровне, при котором останавливаются процессы гидратации, а идут только слабые массообменные процессы в сторону дальнейшего испарения влаги.

Повышение температуры среды твердения цементного камня с добавками «Зика Ретард» и «Тилозы» лишь незначительно инициирует гидратационный процесс, который к 90 суткам твердения приходит к недопустимому равновесию из-за критически минимального содержания свободной воды и, следовательно, из-за исчерпания ресурса воды, требующейся для гидратации. Для более низких влажностей среды твердения (<р=20 %) повышение температуры приводит к снижению остаточной общей влажности цементного камня к 90 суткам твердения до 0,08 (8 %).

Для систем с добавками-пластификаторами выявлены следующие особенности в изменении влажностного состояния. При В/Ц=0,3 и ф—100 % введение добавки СП-3 в количестве 0,4 % практически не изменяет влажностное состояние твердеющей системы: кривые остаточной влажности практически соответствуют кривым для бездобавочной системы. При понижении влажности среды твердения и повышении расхода добавки наблюдается положительное влияние добавки, в частности, остаточная влажность цементного камня практически остается постоянной. Уменьшение влажности среды твердения до ф=20 % для системы с добавкой, как и для системы без добавки, наблюдается тенденция к испарению влаги, но, в меньших количествах, что очень важно.

Ключевое внимание в исследованиях было уделено комплексным добавкам, включающим микрокремнезем. Так установлено, что введение добавки микрокремнезема даже в количестве 5 % от массы цемента приводит к снижению разницы в содержании свободной воды для систем, твердеющих при ср=Ю0 % и ср=20 % до 3 % по сравнению с системой без микрокремнезема.

Дальнейшее увеличение количества микрокремнезема снижает этот показатель до 1-2 % как при температуре среды твердения 20 °С, так и 40 °С. Это можно объяснить свойством микрокремнезема адсорбировать на своей поверхности большое количество воды, которая в процессе гидратации высвобождается и способствует процессу гидратации и набора прочности вне зависимости от влажности среды твердения.

Таким образом, определяющим фактором высокой интенсивности испарения влаги в первом периоде является невысокая энергия связи микрокапиллярной воды, обусловленная относительно грубой межзерновой пористостью цементного теста в начале твердения.

Важным фактором, определяющим уровень влажности следует рассматривать объем новообразовании. Например, при введении в систему добавки «Зика Ретард» и «Тилозы» накопление достаточного количества цементирующих веществ в межзерновом поровом пространстве, обеспечивающих создание более тонкой пористости, происходит в поздние сроки твердения, чем и объясняются вышеописанные эффекты.

Отмеченные особенности во влажпостном состоянии цементного камня находят свое отражение и в процессах гидратации и твердения цемента.

Введение добавки - замедлителя твердения привело к значительному (до 10 % в первые сутки и 15 % - в длительные сроки твердения) снижению степени гидратации цемента, что вполне объяснимо для добавок этого типа. Прочность образцов в первые трое суток твердения оказалась на 30 % ниже, чем у бездобавочных образцов (рис. 4). При этом, в соответствии с гарантиями производителя, в проектном возрасте через 28 суток прочность должна увеличиться до проектной. Однако, как видно по приведенным данным, ни к 28, ни к 90 суткам твердения этого не произошло.

с 2

а) В/Ц=0,4; <р=100%; 1=20 °С

б) В/Ц=0,4; Ф=100%, Г=40°С

Л

V

в)В.'Ц=0,24; 9=100%, 1=40 *С

^СП-3 Д»0.8 %, МК Д-5 % ■Замедлитель Дт0.22 % без добаьок Тилоэа Д-0.5 % илозаД-1,5%

^СП-Э ДО,8 МК Д-5 % — Замедлитель Д=0.22в,о Обез добавок \ Тилоэа Д=0,5 % ТклозаД-1,5%

Продолжительность твердения, сут.

Рис. 4. Кинетика процесса нарастания прочности цементного камня а присутствие добавок при <р~20 % и <¡>=100 %

Судя по приведенным данным, фактор влажности среды твердения (фактор <р) в самые ранние сроки твердения (до 7 суток) еще не проявил себя, так как сохранившаяся вода затворения полностью покрывала потребности медленно идущего процесса гидратации (падение степени гидратации и прочности произошло

на 6 % при изменении <р со 100 до 20 %). В дальнейшие сроки твердения уменьшение влажности среды твердения оказывает значительное влияние на ход процесса гидратации, понижение влажности до 20 % приводит к его полной остановке. При этом наблюдается значительное падение прочности цементного камня, что свидетельствует о несовершенстве формирующейся с этой добавкой структуры цементного камня.

Для добавок-пластификаторов характерны следующие особенности в процессе нарастания прочности цементного камня. Установлено, что введение добавок СП-3 оказывает положительное влияние на процесс нарастания прочности цементного камня при пониженных значениях влажности среды твердения. Введение добавки ГПМ также положительно влияет на процессы твердения цементного камня в условиях пониженной влажности (рис. 4): при снижении <р со 100 до 20 % прочность цементного камня снизилась всего на 5 МПа (7 %).

Введение добавки «Тилоза» мало влияет на показатели степени гидратации (количество химически связанной воды) цементного камня. При уменьшении влажности среды твердения происходит значительное снижение этого показателя, прежде всего, за счет того, что добавка «Тилоза» изменяет соотношение пленочной и свободной воды в сторону увеличения количества адсорбционно-пленочной воды, что не способствует развитию гидратационных процессов: для их развития необходима объемно-капиллярная вода. Прочность цементного камня с этой добавкой (рис. 4) ниже, чем прочность бездобавочного цементного камня. Это объясняется не только меньшей степенью гидратации цементного камня, но и уменьшением плотности цементного камня с 1,6 г/см3 до 1,43 г/см3. Такое падение плотности связано с вышеотмеченными особенностями процесса раннего структурообразования цементно-водной дисперсии с добавкой. Таким образом, выявлена явная связь ранней структуры цементно-водной дисперсии и влажност-ного состояния со структурой и свойствами цементного камня.

Выше уже отмечена положительная роль микрокремнезема в процессах вла-гообмена цементного камня со средой. Положительное влияние проявляется ц на показателях прочности цементного камня. Микрокремнезем способствует повышению плотности затвердевшего цементного камня при всех исследованных значениях влажности среды твердения, увеличению числа и силы межчастичных связей.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: введение ультрадисперсного наполнителя в сочетании с суперпластификаторами гарантирует обеспечение необходимых условий твердения бетона в сложных эксплуатационных условиях и позволяют получать бетоны высоких эксплуатационных свойств.

Для более наглядной оценки влияния добавок и характеристик среды твердения были проведены микроскопические исследования цементного камня (рис. 5).

Введение добавки-замедлителя твердения приводит к появлению в структуре цементного камня (при <р=100 %) большого количества призматических кристаллов, сама структура разрыхляется, становится менее плотной по сравнению с бездобавочной системой. С понижением влажности среды твердения призматические кристаллы практически не наблюдаются. Структура полученного цементного

камня представляет собой рыхлую систему с преобладанием непрогидратировав-ших зерен цемента, покрытых новообразованиями в основном слоистого типа. То

а) без добавки, В/Ц=0,3, <р=20 %

в) с добавкой замедлителем, <р=20 %

д) с добавкой Тилозы, <р=20 %

и) с добавкой ГПМ Д=7,5 %, й) с добавкой ГПМ Д=7,5 %,

МК Д=15 %, {р=20 % МК Д=15 %, ф=ЮО %

Рис. 5. Микрофотографии структуры цементного камня

ж) с добавкой СП-3, <р=20 %

з) с добавкой СП-3, ф=Ю0 %

б) без добавки, В/Ц=0,3, ф=100 %

г) с добавкой замедлителем, <р=100 %

есть наблюдается явное ухудшение структуры цементного камня с добавкой «Зи-ка Ретард».

Введение добавки СП-3 приводит к увеличению количества призматических и игольчатых кристаллов (<р=100 %). При снижении влажности среды твердения до 20 % в структуре полученного цементного камня происходит снижение количества игольчатых кристаллов и увеличение новообразований в гелеобразной форме.

Микроструктура цементного камня с добавкой «Тилозы» значительно отличается от микроструктуры бездобавочного цементного камня (рис. 5). При влажности среды твердения 100 % микроструктура цементного камня представлена гелевидной фазой. При снижении влажности среды твердения до 20 % общая степень закристаллизованное™ новообразований возросла, а их количество уменьшилось.

Что касается микроструктуры цементного камня с добавкой Микрокремнезема, то введение микрокремнезема уплотняет цементный камень (рис. 5). В присутствии этой добавки формируется плотная, слитная структура, состоящая из мелкодисперсных кристаллогидратов. Это характерно как для влажности среды твердения 100 % , так и для влажности среды твердения 20 %.

Итак, на основании полученных данных, можно сделать вывод, что принятая в исследованиях добавка-замедлитель схватывания и твердения не обеспечивает как оптимальных параметров твердения цементной системы, так и, соответственно, необходимых свойств цементного камня и бетона, то есть ее применение для условий сухого и жаркого климата рекомендовать не следует.

Что касается добавки «Тилозы», то выявлена положительную роль этой добавки только на стадии формования изделий, так как она предотвращает расслаи-ваемость формовочной смеси.

Введение в состав цементного камня, твердеющего в сухих условиях, добавок-суперпластификаторов и комплексных добавок (суперпластифика-тор+микрокремнезем) дает положительный эффект за счет того, что в системе сохраняется большое количество адсорбционной и микрокапиллярной воды, которая затем рационально расходуется на процесс гидратации цемента. При этом эффективность добавки ГПМ (с ультрадисперсным наполнителем) оказывается сильнее за счет дополнительной адсорбции воды на зернах микронаполнителя, но эффект этот проявляется не сразу, а в нарастающем темпе.

В пятой главе представлено прикладное значение научно- экспериментальных результатов по управлению процессами структурообразования цементных систем в условиях сухого и жаркого климата и рекомендации, разработанные на их основе. В качестве модельных образцов были приняты образцы из мелкозернистого бетона, которые по сравнению с крупнозернистым бетоном обеспечивает более стабильные результаты. Поверочными опытами установлено, что включение в бетонную смесь крупного заполнителя практически не влияет на конечные выводы, которые сводятся к следующему.

Для обеспечения заданных условий твердения бетонных смесей в монолитных строительных конструкциях рекомендуется использовать:

1.Для жестких бетонов с низкими значениями В/Ц-отношений добавку СП-3 в количестве 0,4 % от массы цемента или комплексную добавку «ГПМ (7,5 % от массы цемента) + микрокремнезем (15 %)»;

2. Для подвижных бетонов (с высокими значениями В/Ц-отношений) рекомендуется использовать комплексные добавки, состоящие из пластификатора'и микрокремнезема;

3. Не рекомендуется применять жесткие бетонные смеси с В/Ц-отношениями ниже 0,3.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Уточнены II дополнены существующие представления о процессах схватывания и твердения цементного теста. Установлено, что независимо от начального В/Ц-отношения система стремиться перейти к водосодержанию, которому соответствуют лучшие условия для процесса формирования структуры цементного камня - «стесненные» условия. При этом имеет место саморегулирование структуры в сторону уплотнения и создания так называемых «стесненных» условий.

2. Установлено, что для цементных систем с В/Ц<0,2 в качестве одной из важнейших характеристик процесса твердения можно рассматривать степень заполнения порового пространства водой: чем выше этот показатель, тем быстрее и в более полной мере протекают гидратационные и структурообразующие процессы, тем совершеннее структура цементного камня. Показатель степени заполнения пор водой в начальном периоде твердения определяется полностью количеством воды затворения, а в последующем - составом твердеющей композиции и влажностью окружающей среды.

3. При В/Ц>0,2, чем оно ниже, тем на более высоком уровне устанавливается влажностное равновесие между порами цементного камня и окружающей средой, что благоприятно сказывается на процессах гидратационного структурообра-зования цементного камня. В качестве оптимальных можно считать В/Ц-отношения в пределах 0,28-0,32. Высокие значения В/Ц-отношений (0,5 и выше) являются самыми неблагоприятными для сухих условий возведения конструкций, так как устанавливающееся со временем влажностное равновесие не обеспечивает процессы гидратационного твердения.

4. В условиях низкой влажности окружающей среды химические добавки различного типа оказывают неоднозначное влияние ранние процессы твердения и структурообразования, что в дальнейшем отражается на процессах структурообра-зования цементного камня. Поэтому на практике к использованию добавок необходимо подходить обоснованно и избирательно.

5. В качестве пластифицирующих добавок подробно исследованы суперпластификатор СП-3 и комплексная добавка ГПМ. Обе добавки проявили высокий пластифицирующий эффект. Для обозначенных условий рекомендуется использовать добавку, включающую: суперпластификатор СП-3 в количестве от 0,4 до 0,8 % от массы цемента; добавку ГПМ, содержащую мнкронаполнитель в количестве от 7,5 до 9 % от массы цемента. Однако, высокие дозировки добавки

ГПМ слишком сильно замедляют процесс твердения бетона - в некоторых вариантах до 2 суток.

6. В качестве добавки-замедлителя исследована добавка производства шведской фирмы «Sika», именуемая как Sika Retarder. При дозировке 0,2 % от массы цемента и выше даже в условиях пониженной влажности среды твердения добавка проявляет сверхдопустимое замедление процесса схватывания и твердения, поэтому для практического использования она не рекомендуется. В отмеченном плане целесообразно использовать добавку ГПМ в умеренных дозировках.

7. В качестве добавки - стабилизатора испытана добавка широко рекламируемая фирмой «Ciariant» - Tylose МН 60010 Р4. Добавка не обладает пластифицирующим эффектом, не снижает водоцементное отношение, что является причиной относительно низких прочностей и образования усадочных трещин в условиях сухого климата.

8. Для обеспечении наилучших условий твердения цемента в бетоне при низких значениях влажности и повышенных значениях температуры среды твердения рекомендуется использовать два вида добавок: добавки-суперпластификаторы и комплексные добавки «суперпластификатор + микрокремнезем». Такая композиция добавок обеспечивает низкую расслаиваемость бетонной смеси, высокую удобоукладываемость при низких водоцементных отношениях, хорошо удерживает влагу в бетоне, что обеспечивает в течении длительного времени интенсивное нарастание прочности и возможность получения бетона высоких классов по прочности, малую усадку при твердении бетона в сухих и жарких условиях. Рекомендуемая дозировка микрокремнезема - 15 % от массы цемента.

9. Разработанные рекомендации по составам бетонных смесей монолитного бетона, обеспечивают высокие характеристики конструкций, твердеющих в условиях сухого и жаркого климата и способствуют повышению технико-экономических показателей строительного производства.

10. Предложенный автором диссертации способ обеспечения необходимых условий для твердения монолитного бетона в условиях сухого и жаркого климата за счет применения специальных добавок позволит отказаться от трудоемких операций по длительному уходу за монолитным бетоном в течении длительного периода.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тамац, М.Х.А. Эффективность применения побочного продукта аммиачного производства в качестве противоморозной добавки в цементный бетон/ М.Х.А. Таман, Шмитько Е.И, Крылова A.B., Козодаев С.П. // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. -2010. -№ 3 (19). - С. 68-72.- Лично автором выполнена 1 с.

2. Таман, М.Х.А. Особенности процессов твердения цеменгосодержащих систем в условиях пониженной влажности / Шмитько Е.И., Берлина H.A., М.Х.А. Таман //Журнал ПГС № 9 ~ Москва, 2010.- С. 31 -33. Лично автором выполнено I с.

3. Таман, М.Х.А. Особенности процессов твердения цеменгосодержащих систем в условиях пониженной влажности/ Шмитько Е.И., Берлина H.A., Крылова A.B.// Журнал Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, № 1Москва, 2010. - С. 24-26. Лично автором выполнено 1 с.

4. Таман, М.Х.А. Исследование влияние способов ухода за бетоном в условиях жаркого климата на его свойства / Таман, М.ХАМ Электр, сборник тез. докладов 66-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАСУ. Лично автором выполнено 5 с.

Мохаммед Хельми Абдель Мохти Таман

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ТВЕРДЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ СУХОГО II ЖАРКОГО КЛИМАТА

Автореферат

Подписано в печать 23.09.2011 г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,3. Усл.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано: издательство учебной и учебно-методической литературы отдела

оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА: АНАЛИЗ ОБЩИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И ПРОЦЕССОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ОТВЕРДЕВАНИЕ ЦЕМЕНТОСОДЕРЖАЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ.

1.1 Особенности процессов, сопровождающих твердение цемента.

1.2 Особенности твердения бетона в естественно-климатических условиях Египта.

1.3 Влияние температурного фактора на процессы формирования структуры цементного камня.

1.4 Влияние влажностного фактора на процессы формирования структуры цементного камня.

1.4.1 Общие закономерности, определяющие влажностное состояние капиллярно-пористых тел, в том числе и цементного камня.

1.4.2 Реализация явлений самоуплотнения и саморазуплотнения дисперсных систем за счет фактора влажности.

1.4.3 Управление микроструктурными процессами в твердеющих цементных композициях за счет фактора влажности.

1.5 Влияние химических добавок на процессы структурообразования бетона.

1.6 Цель и задачи исследований.

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Методологические основы исследований.

2.2 Характеристика сырьевых материалов.

2.3 Методика изучения влияния влажности на раннюю структуру системы «цемент-добавка-вода».

2.4 Методика исследований влияния исходного В/Ц-отношения на особенности процессов дальнейшего влагообмена с внешней средой.

2.5 Методика определения параметров структуры и свойств цементного камня.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ «ЦЕМЕНТ-ВОДА».

3.1 Исследование влияния содержания воды затворения на процесс самоорганизации ранней структуры цементно-водной дисперсии.

3.2 Исследование процессов структурообразования в условиях постоянной межзерновой пористости и нормированной влажности.

3.3 Исследование влияния влажностного фактора на процессы структурообразования цементного теста.

3.4 Исследование влияния фактора влажности среды твердения на структурные характеристики цементного камня.

3.5 Выводы по главе 3.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МОДИФИЦИРОВАННОГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ УСЛОВИЙ.

4.1 Исследование влияния вида добавки на процессы раннего структурообразования цементной системы.

4.2 Исследование влияния влажности и температуры среды твердения на влажностное состояние твердеющей цементной системы, содержащей добавки.

4.3 Исследование процессов гидратации и твердения цементного камня с добавками в условиях пониженной влажности и повышенных температур.

4.4 Исследование влияния влажности и температуры среды твердения на процессы структурообразования цементной системы с комплексной добавкой «пластификатор-микронаполнитель».

4.5 Выводы по главе 4.

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ НАУЧНЫХ ДАННЫХ В БЕТОНЕ, ТВЕРДЕЮЩЕМ В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ.

5.1 Результаты исследования влияния добавок на процессы твердения бетонных смесей.

5.2 Разработка способов ухода за бетоном в условиях сухого и жаркого климата.

5.2.1 Методы влажностного ухода за бетоном в монолитных конструкциях.

5.2.2 Технико-экономическая оценка использования практических рекомендаций.\.

5.3 Выводы по главе 5.

Актуальность работы. Управление процессами влагопереноса и влажно-стного состояния цементного бетона, правильная оценка критерия влагопотерь при выборе технологии бетонирования и режимов твердения, учет влияния этих процессов на основные свойства бетонов не одно десятилетие являются ключевыми вопросами технологии бетона. Особенно это актуально в настоящее время, когда широкое распространение получило монолитное строительство зданий и сооружений. При этом на первый план выходят задачи создания оптимальных условий процесса твердения, обеспечивающих получение бетона с заданными характеристиками. Актуальность этой проблемы особенно наглядно проявилась жарким летом 2010 года, когда, несмотря на меры ухода за бетоном, на некоторых объектах в монолитных конструкциях появились трещины, бетон не добрал заданную прочность. Так как автор диссертации намерен результаты своих исследований рекомендовать для применения в условиях сухого и жаркого климата Египта, то актуальность работы усиливается. Главная задача этой работы сводится к тому, чтобы установить насколько изменятся изначальные характеристики бетона в условиях сухого и жаркого климата, как повлияет вид и количество добавок на прочность и структуру полученного бетона. Представляют интерес также данные, относящиеся к ранней стадии структурообразова-ния цементных систем с добавками, на которой основополагающими являются процессы, протекающие на межфазных границах и обусловливающие самоорганизацию ранней структуры цементной системы.

На основании вышеизложенного в работе были сформулированы следующие цель и задачи исследований.

Целью диссертации является выявление особенностей влажностного состояния и его влияния на процессы гидратации и структурообразования модифицированных добавками цементных систем в условиях сухого и жаркого климата.

Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

- оценить роль влажностного фактора в процессах твердения и структу-рообразования цементного камня;

- изучить закономерности изменения влажностного состояния бездобавочного цементного камня в различных температурно-влажностных условиях;

- рассмотреть состав и структуру основных добавок, используемых в бе-тоноведении на предмет возможного их влияния на баланс влаги в бетоне, в этом плане классифицировать добавки по их определяющим признакам;

- исследовать влияние добавок первой группы (добавок-замедлителей твердения) на влажностное состояние бетона в широком диапазоне температурных и влажностных условий среды твердения;

- исследовать влияние добавок второй группы (добавок-пластификаторов) на влажностное состояние бетона в широком диапазоне температурных и влажностных условий среды твердения;

- исследовать влияние добавок третьей группы (добавок, повышающих водоудерживающую способность смеси) на влажностное состояние бетона в широком диапазоне температурных и влажностных условий среды твердения;

- исследовать влияние комплексных добавок, включающих в свой состав микрокремнезем, на влажностное состояние цементного камня и бетона;

- оптимизировать состав мелкозернистого бетона за счет применения добавок с целью получения заданных показателей свойств в условиях сухого и жаркого климата;

- осуществить практическое использование результатов исследований.

Научная новизна работы:

1) разработаны новые методологические подходы к исследованию процессов формирования структуры бетонов в условиях пониженной влажности среды твердения;

2) уточнены представления о механизме влагообмена и влажностного состояния твердеющего цементного камня со средой в условиях пониженной влажности среды твердения;

3) получены новые данные о влиянии вида добавки на процессы раннего структурообразования цементно-водной дисперсии;

4) показано, что в качестве исчерпывающей характеристики процесса твердения цементной системы можно рассматривать степень заполнения поро-вого пространства водой: чем выше этот показатель, тем быстрее и в более полной мере протекают гидратационные и структурообразующие процессы, тем совершеннее структура цементного камня;

5) показано, что для монолитных конструкций, формуемых в условиях сухого и жаркого климата предпочтительными являются бетоны, содержащие в своем исходном составе комплексную добавку, включающую суперпластификатор и микрокремнезем.

Достоверность результатов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств и методов измерений; применением современных микроскопических и физико-химических методов; использованием статистической обработки результатов экспериментов; полученные данные в своей основе не противоречат известным научным положениям и результатам других авторов.

Практическая значимость работы. В целом выполненная работа определила условия эффективного применения монолитного бетона в условиях сухого и жаркого климата, в том числе:

- определен диапазон влажностных условий, обеспечивающих интенсивную гидратацию цемента в бетоне и нарастание его прочности;

- для любых влажностных условий обоснованы наиболее благоприятные значения исходного В/Ц-отношения в бетоне;

- показана целесообразность или нецелесообразность использования химических добавок различных видов применительно к конкретным влажностным условиям;

- показана целесообразность применения в условиях сухого и жаркого климата комплексных добавок, содержащих в своем составе суперпластификатор и микрокремнезем;

-разработаны и рекомендованы составы мелкозернистого бетона для условий сухого и жаркого климата;

- показана экономическая целесообразность применения рекомендованных составов монолитного бетона.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 65-й и 66-й Всероссийских научно-практических конференциях «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж 2010, 2011), на НТК ВГАСУ 2010 и 2011 гг.

Внедрение результатов. Научно-практические результаты диссертационных исследований реализованы в производственном процессе ОАО «Завод ЖБК» (г. Воронеж). Методические разработки и результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям: 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистрантов направления «Строительство» по программе «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».

На защиту выносятся:

1) теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения основополагающих положений теории дисперсных систем к определению благоприятных влажностных границ твердения цементных бетонов;

2) методы и методики исследования свойств и структуры цементно-водной дисперсии и цементного камня, модифицированных добавками различного действия и твердеющего в условиях пониженной влажности;

3) результаты экспериментальных исследований влияния пониженной влажности среды твердения на процессы структурообразования и твердения цементного камня;

4) результаты экспериментальных исследований структуры и свойств це ментного камня, модифицированного различными добавками, твердевшего в условиях пониженной влажности и повышенной температуры среды твердения;

5) результаты исследований влияния добавок на основные физико-механические характеристики бетонов при их твердении в условиях пониженной влажности и повышенной температуры среды твердения.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 4 опубликованных научных статьях, в том числе в 2 изданиях, определенных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка из 99 наименований; изложена на 157 страницах, в том числе 101 страница машинописного текста, 13 таблиц, 52 рисунка, 2 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Уточнены и дополнены существующие представления о процессах схватывания и твердения цементного теста. Установлено, что независимо от начального В/Ц-отношения система стремиться перейти к водосодержанию, которому соответствуют лучшие условия для процесса формирования структуры цементного камня - «стесненные» условия. При этом имеет место саморегулирование структуры в сторону уплотнения и создания так называемых «стесненных» условий.

2. Установлено, что для цементных систем с В/Ц<0,2 в качестве одной из важнейших характеристик процесса твердения можно рассматривать степень заполнения порового пространства водой: чем выше этот показатель, тем быстрее и в более полной мере протекают гидратационные и структурообразующие процессы, тем совершеннее структура цементного камня. Показатель степени заполнения пор водой в начальном периоде твердения определяется полностью количеством воды затворения, а в последующем — составом твердеющей композиции и влажностью окружающей среды.

3. При В/Ц>0,2, чем оно ниже, тем на более высоком уровне устанавливается влажностное равновесие между порами цементного камня и окружающей средой, что благоприятно сказывается на процессах гидратационного структу-рообразования цементного камня. В качестве оптимальных можно считать В/Ц-отношения в пределах 0,28-0,32. Высокие значения В/Ц-отношений (0,5 и выше) являются самыми неблагоприятными для сухих условий возведения конструкций, так как устанавливающееся со временем влажностное равновесие не обеспечивает процессы гидратационного твердения.

4. В условиях низкой влажности окружающей среды химические добавки различного типа оказывают неоднозначное влияние ранние процессы твердения и структурообразования, что в дальнейшем отражается на процессах структуро-образования цементного камня. Поэтому на практике к использованию добавок необходимо подходить обоснованно и избирательно.

5. В качестве пластифицирующих добавок подробно исследованы суперпластификатор СП-3 и комплексная добавка ГПМ. Обе добавки проявили высокий пластифицирующий эффект. Для обозначенных условий рекомендуется использовать добавку, включающую: суперпластификатор СП-3 в количестве от 0,4 до 0,8 % от массы цемента; добавку ГПМ, содержащую микронаполнитель в количестве от 7,5 до 9 % от массы цемента. Однако, высокие дозировки добавки ГПМ слишком сильно замедляют процесс твердения бетона - в некоторых вариантах до 2 суток.

6. В качестве добавки-замедлителя исследована добавка производства шведской фирмы «Sika», именуемая как Sika Retarder. При дозировке 0,2 % от массы цемента и выше даже в условиях пониженной влажности среды твердения добавка проявляет сверхдопустимое замедление процесса твредения, поэтому для практического использования она не "рекомендуется. В отмеченном плане целесообразно использовать добавку ГПМ в умеренных дозировках.

7. В качестве добавки - стабилизатора испытана добавка широко рекламируемая фирмой «Clariant» - Tylose МН 60010 Р4. Добавка не обладает плаs стифицирующим эффектом, не снижает водоцементное отношение, что является причиной относительно низких прочностей и образования усадочных трещин в условиях сухого климата.

8. Для обеспечении наилучших условий твердения цемента в бетоне при низких значениях влажности и повышенных значениях температуры среды твердения рекомендуется использовать два вида добавок: добавки-суперпластификаторы и комплексные добавки «суперпластификатор + микрокремнезем». Такая композиция добавок обеспечивает низкую расслаиваемость бетонной смеси, высокую удобоукладываемость при низких водоцементных отношениях, хорошо удерживает влагу в бетоне, что обеспечивает в течении длительного времени интенсивное нарастание прочности и возможность получения бетона высоких классов по прочности, малую усадку при твердении бетона в сухих и жарких условиях. Рекомендуемая дозировка микрокремнезема -15 % от массы цемента.

9. Разработанные рекомендации по составам бетонных смесей монолитного бетона, обеспечивают высокие характеристики конструкций, твердеющих в условиях сухого и жаркого климата и способствуют повышению технико-экономических показателей строительного производства.

10. Предложенный автором диссертации способ обеспечения необходимых условий для твердения монолитного бетона в условиях сухого и жаркого климата за счет применения специальных добавок позволит отказаться от трудоемких операций по длительному уходу за монолитным бетоном в течении длительного периода.

1. Невиль, A.M. Свойства бетонаТекст. / A.M. Невиль М.: Стройиздат, 1972.-344 с.

2. Байков, А. А. Собрание трудовТекст. / A.A. Байков М.: Изд-во академии наук СССР, 1948. - 270 с.

3. Ребиндер, П.А. Структурообразование в дисперсных системах Текст. /

4. B.В. Измайлова М.: Наука, 1974 - 350 с.

5. Гаркави,М.С. Управление структурными превращениями в твердеющих вяжущих системах Текст.:автореф. дис. . докт.техн. наук: 05.23.05 /Гаркави Н.1. C.-М., 1997.-32 с.

6. Гордон, С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях Текст. / С.С. Гордон —М.: Стройиздат, 1969. — 150с.

7. Рыбьев, И.А. Закон прочности оптимальных структур Текст. / И.А. Рыбьев // Строительные материалы. — 1966.- № 12. С. 22 — 24.

8. Рыбьев, И.А. Две важнейшие закономерности в свойствах материалов с конгломератным типом структуры Текст. / И.А. Рыбьев // Строительные материалы. 1965. - № 1. - С. 17 - 19.

9. Волженский, A.B. Влияние низких В/Ц-отношений на свойства цементного камня при длительном твердении Текст. / Т.А. Карпова // Строительные материалы. 1980.- № 7. - С. 18 - 20.

10. Волженский, A.B. О зависимости структуры и свойств цементного камня от условий его образования и твердения. Текст. / A.B. Волженский // Строительные материалы. — 1964.- № 4. — С. 10 — 13.

11. Тимашев, В.В. Влияние физической структуры цементного камня на его прочность Текст. / В. В. Тимашев // Цемент. — 1978. № 2. — С. 6 — 8.

12. Вода в дисперсных системах Текст. /В.В. Дерягин, A.B. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. М.: Химия, 1989. -288 с.

13. Ахвердов, И.Н. Основы физики бетонаТекст. / И.Н. Ахвердов М.:1. Стройиздат, 1981. 464 с.

14. Волженский, A.B. Зависимость прочности вяжущих от их концентрации в твердеющей смеси с водой Текст. / А. В. Волженский//Строительные материалы. 1979. - № 7. - С. 22-23.

15. Сычев, М.М. Некоторые вопросы механизма гидратации цемента Текст. / М.М. Сычев // Цемент. 1981.- № 8. - С. 5 - 10.

16. Панфилова, Л.И. О зависимости прочности бетона от активности цемента и водоцементного отношения Текст. / Л.И. Панфилова // Бетон и железобетон. 1956.- № 2. - С. 70 -72.

17. Химия цементов Текст. / Под ред. Х.Ф.У. Тейлора М.: Стройиздат, 1969.-500 с.

18. Шмитько, Е.И. Химия цемента и вяжущих веществТекст.: учеб. пособие /Е.И. Шмитько, A.B. Крылова,В.В. Шаталова. Воронеж, гос. арх.-строит. ун-т. - Воронеж, 2005. - 164 с.

19. Лермит, Р. Проблемы технологии бетона (пер. с франц.)Текст. /Р. Лермит— М.: Госстройиздат, 1959.— 506с.•19 Волженский, А. В. Минеральный вяжущие вещества. Текст. / A.B. Волженский М.: Стройиздат, 1986. - 464 с.

20. Бутт, Ю.М. Влияние В/Ц на структуру, прочность и морозостойкость цементного камня Текст. / В.М. Колбасов, А.Е. Берлин // Бетон и железобетон. 1974.-№11.- С. 9-10.

21. Ахвердов, И.Н. Теоретические основы бетоноведения Текст. / И.Н. Ахвердов Минск.: Высшая школа, 1991. - 188 с.

22. Стефанов, В.В. Технология бетонных и железобетонных изделий Текст. / Н.Г. Русанова, A.A. Волянский Киев: Вища школа, 1982. - 406с.

23. Полак, А.Ф. Твердение минеральных вяжущих веществ Текст. / В.В. Бабков, Е/П. Андреева Уфа: Башк. Кн. Изд-во, 1990. - 216 с.

24. Бутт, Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов Текст.: учеб. для вузов / M. М., Сычев, В. В. Тимашов / под ред. В. В. Тимашова М.: Высшая школа, i960. -472 с.

25. Яминский, В.В. Коагуляционные контакты в дисперсных системах Текст. / В;А. Пчелин, Е.А. Амелина, Е.Д. Щукин М.: Химия, 1982. - 184 с.

26. Баженов, Ю.М. Строительные композиты гидратационного твердения Текст. / Ю.М. Баженов // Вестник отделения строительных наук. 1999. Вып. №2.-С. 27-31.

27. Баженов, Ю.М. Технология бетонов Текст.: учеб. для вузов / Ю.М. Баженов М.: АСВ, 2002. - 500 с.

28. Полак, А.Ф: Кинетика структурообразования цементного камня (доп. докл.) Текст. / А.Ф. Полак // 6-й междун. конгресс по химии цемента: Тр.в 3-х т. М.: Стройиздат, 1976. - Т.2, кн.1. - С. 64-68.

29. Сычев, М.М. Твердение вяжущих веществ. Текст. / М.М. Сычев Л.: Стройиздат, 1974.-79с.

30. Сычев, М.М. Проблемные вопросы гидратации и твердения цементов Текст. / М. М. Сычев // Цемент. 1986. - № 9. - С. 11-14.

31. Сычев, М.М. Образование структуры твердения и характер процессов гидратации Текст. / М.М. Сычев//Цемент. 1989. - № 2. - С. 19 - 20.

32. Гранковский, И.Г. Управление структурообразованием вяжущих веществ гидратационного твердения Текст.: автореф. дис.;. докт.техн. наук: 05.23.05 / Гранковский, И. Г. Киев, - 1986.

33. Рамачандран, В. Наука о бетоне Текст. / Р. Фельдман, Дж. Бодуэн -М.: Стройиздат, 1986.-278 с.

34. О климате Египта http://www.egypttravel.su.

35. Помазков^ В.В; Вопросы кинетики гидратации минеральных вяжущих веществ Текст. / В.В. Помазков // Исследования по цементным и силикатным бетонам. Тр. пробл. лаб., вып. Г. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1964. С.5-21.

36. Помазков, В.В. Исследование технологии бетона. Текст.:дис. . докт. техн. наук: 05.23.05: защшцина. Утв. / Помазков, В. В. М., 1969. - 420с.

37. Миронов, С.А., Малинина JI.A. Ускорение твердения бетона / Изд. 2-еиспр. и доп. М.: СИ, 1964. - 348с.

38. Шмитько, Е.И. Управление процессами твердения и структурообра-зования бетонов Текст.: дис. . докт. техн. наук: 05.23.05: защищена.утв. / Шмитько Евгений Иванович.- Воронеж, 1994. — 525 с.

39. Чернышов, Е. М. Управление процессами структурообразования и качеством силикатных автоклавных материалов Текст.: дис. . докт. техн. наук: 05.23.05: защищена: утв. / Чернышов Евгений Михайлович.- Л., 1988. 523 с. '

40. Славчева, Г.С. Структура высокотехнологичных бетонов и закономерности проявления их свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях Текст.:автореф. .докт. техн. наук: 05.23.05 / Г. С. Славчева. Воронеж, 2009.-43с.

41. Управление процессами технологии, структурой и свойствами бетонов Текст. / под ред. Е.М. Чернышова, Е.И. Шмитько, Воронеж: Типография ВГА-СУ, 2002.-344 с.

42. Ребиндер, П.А. Физико-химическая механика (новая область науки). Текст. / ii.A. Ребиндер М.: Знание, 1958. - 64 с.

43. Лыков, A.B. Тепломассообмен: справочник. Текст. / A.B. Лыков — М.: Энергия, 1978. 480 с.

44. Цимерманис, Л. Термодинамические и переносные свойства капиллярно-пористых тел Текст. / Л. Циммерманис Челябинск, 1970. — 251 с.

45. Казанский, М.Ф. Анализ форм связи и состояния влаги, поглощенной дисперсным телом с помощью кинетических кривых сушки Текст. /М.Ф. Казанский //ДАН СССР, т. 130, 1966. №5. - С. 1056-1060.

46. Перцев, В. Т. Управление процессами раннего формования структуры бетона Текст.: дис. . докт. техн. наук: 05.23.05: защищена: : утв. / Перцев Виктор Тихонович.- Воронеж, 2002. 433 с.

47. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии. Текст. / С.С. Воюцкий М.: Химия, 1975. - 512 с.

48. Физико-химическая механика природных дисперсных систем Текст. / под ред. Е.Д. Щукина, Н.В. Перцова и др. М.: Изд-во МГУ, 1985. - 285 с.

49. Урьев, Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. Текст. / Н.Б. Урьев М.: Химия, 1988. - 256 с.

50. Дерягин, В.В. Поверхностные силыТекст. / A.B. Чураев, В.М. Муллер М.: Наука, 1985. - 396 с.

51. Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии Текст. / Д.А. Фридрихс-берг- С-Пб.: Химия, 1995. 400 с.

52. Шмитько, Е.И. Управление структурой бетона через влажностный фак-торТекст. /H.A. Берлина, В.И. Смотров // Строительные материалы Оборудование технологии XXI. 2005. -№11.- С. 14-16.

53. Берней, И.И. Влияние сил капиллярного сцепления на физико-механические свойства дисперсных систем Текст. / И.И. Берней, В.В, Белов // Изв. вузов. Архитектура и стр-во. — 1980.- №4. — С.73-77.

54. Берлина, H.A. Роль влажностного фактора в процессах структурообIразования цементосодержащих систем Текст.:Дис. . канд.техн. наук: 05.23.05: защищена.утв. /Берлина Н. А. Воронеж, 2006. - 197с.

55. Крылов, Б.А. Влияние влагопотерь на свойства и структуру тяжелого бетона Текст. / Г.А. Айрапетов, Х.С. Шахабов // Бетон и железобетон. 1981. -№11.-С. 16-17.

56. Заседателев, И.Б., Богачев Е.И. Массобмен с внешней средой при твердении бетона в воздушно-сухих условиях Текст. ITII Бетон и железобетон. — 1971.-№8.-С. 20-22.

57. Рамачандран, В. С. Добавки в бетон Текст.: справ, пособие /В. С. Рамачандран [и др.]. — М.: Стройиздат, 1988. 575 с.

58. Добавки в бетоны и строительные растворы. Учебно-справочное пособие Текст./ Л.И. Касторных. Ростов н/Д.: Феникс, 2005. - 221с.

59. Касимов, И.К. Воздействие климата Узбекистана на свойства бетона с добавкой П-20. // Бетон и железобетон. 1988. - № 1. - С. 37 -39.

60. Курамбаев, Б.В. Улучшение свойств бетона в условиях сухого и жаркого климата с помощью пластификаторов // Бетон и железобетон. — 1982. № 3. -С. 24-25.

61. Подлесных, В.А., Магдаев У.Х. Влияние универсального замедлителя твердения на свойства и состав цементного камня // Бетон и железобетон. -1980. № 6. - С. 42 -43.

62. Troli, R., Borsoi A., Collepardi S., Fazio G., Collepardi M., Monosi S., Self-compacting / curing / compressing concrete // 6th International congress, global construction, ultimate concrete opportunities, Dundee, U. K. 5 - 7 July 2005.

63. Москвин, B.M., Артеменко E.B., Братчиков В.Г. Порошкообразный комплексный модификатор бетона // Бетон и железобетон. 1982. - № 1. - С. 30 -31.

64. Selvamony, С., Ravikuma M. S., Kannan S. U., Gnanappa S. B. Investigations on self-compacted self-curing concrete using limestone powder and clinkers // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences / vol. 5, № 3, March 2010.

65. Комар, A.A., Бабаев Ш.Т. Комплексные добавки для высокопрочных бетонов // Бетон и железобетон. 1981. - № 4. - С. 16-17.

66. Межгосударственный стандарт ГОСТ 31108-2003 "Цементы общестроительные. Технические условия"- М., 2003. 14 с.

67. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М., 1990. - 15 с.

68. ГОСТ 12730.0 78 - 12730.4-78 Методы определения плотности, влажности, водопоглощения и пористости. - М., 1978. - 20 с.

69. Межгосударственный стандарт ГОСТ 24211-2003 "Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия" М., 2003. - 11 с.

70. Ларионова, З.М. Фазовый состав, микроструктура и прочность цементного камня и бетона Текст. / Л.В. Никитина, З.Р. Гаршин — М.: Стройиз-датД977. -262 с.

71. Шпынова, Л.Г. Микроструктура и прочность портландцементного камня. Текст. / Л.Г. Шпынова Львов: из-во Львовского университета, 1966. - 100 с.

72. Методы исследования цементного камня и бетона Текст. / под ред. Ларионовой З.М. М.: Стройиздат, 1970. - 159 с.

73. Казанский, В.М. Физические методы исследования структуры строительных материалов: Уч. пособие Текст. / И.Ю. Петренко. Киев: КИСИ, 1984.-75 с.

74. Горшков, В. С. Методы физико-химического анализа вяжущих ве-ществТекст. /В.В. Тимашов, В.Г. Савельев — М.: Высшая школа, 1981. — 335 с.

75. Шмитько, Е.И., Управление плотностью прессованных материалов путем рационального использования потенциала поверхностных и капиллярных сил Текст. /С.В. Черкасов //Строительные материалы, 1993. № 8. - С.26-29.

76. Ратинов, В.Б. Процессы гид-ратационного твердения цементов Текст. / З.М. Ларионова, И.И. Курбатова // Цемент. 1989. -№ 2. - С.12 - 13.

77. Шмитько, Е.И./ H.A. Берлина, М.Х. Таман Особенности процессовтвердения цементосодержащих систем в условиях пониженной влажности //Журнал ПГС. -Москва. 2010. № 9. - С. 31 - 33.

78. Пащенко, А.А. Гидратация прессованных композиций на основе порт-ландцементного клинкера Текст. / В.В. Чистяков //Тр.ВНИИЦемента.-1988.-вып.95. — С.33,34.

79. Шмитько, Е.И./ Н.А. Берлина, М.Х. Таман Особенности процессов структурообразования цементосодержащих систем в условиях пониженной влажности // Журнал Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, Москва, 2010. № 11. - С. 24 - 26.

80. Абрамзон, А. А. Поверхностно-активные вещества. Синтез, анализ,свойства, применение Текст. : учеб. пособие / А. А. Абрамзон, JL П. Зайченко, С. И. Файнгольд. — Л.: Химия, 1988. — 200 с.

81. Elsageer, М. A., Millard S. G., Barnett S. J. Strength development of concrete containing coal fly ash under different curing temperature conditions // World of coal ash (WOCA) conference May 4,-7, 2009 in Lexington, KY, USA.

82. Bushlaibi, A. H., Alshamsi A. M. Efficiency of curing on partially exposed high-strength concrete on hot climate // Cement and concrete research 32 (2002) 949 -953.

83. Algahtani, H. J. Concrete mix design for hot weather // M. S., King Fahd university of petroleum & minerals, Saudi Arabia, December 1985.

84. Салл Магатте Мелкозернистые дорожные бетоны с комплексной модифицирующей добавкой для эксплуатации в условиях сухого и жаркого климата Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.23.05 / Салл Магатте Ростов-на-Дону, 2009. - 24 с.

85. Ратинов, В.В. Механизм гидратации вяжущих веществ и некоторые вопросы формирования прочности цементного камня Текст. / В.В. Ратинов //Твердение цемента: Тез.докл. и со общ. /Всесоюзн. совещ. Уфа: ротапринт НИИ - Промстроя, 1974. - С.30-35.

86. Комохов, П.Г., Сычева A.M., Степанов И.В., Елисеева Н.Н. Структурj

87. Ахвердов, И.И. Механизм усадки и ползучести бетона в свете современных представлений реологии и физики твердого тела Текст. / И.И. Ахвердов // Бетон и железобетон. 1970. - № 10. - С. 17.

88. Шмитько, Е.И. О влиянии энергетического состояния воды на ее взаимодействие с цементом Текст. / Е.И. Шмитько //Проблемы химии и химической технологии центрального Черноземья РФ: Тез.докл. 1-й рег.НТК.- Липецк, 1993. С.45-47.

89. Каприелов, С. С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов Текст. / С. С. Каприелов // Бетон и железобетон. — 1995. № 4. — С. 16-20.

90. Каприелов, С. С. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива Текст. / С. С. Каприелов, В. Г. Батраков, А. В. Шейнфельд // Бетон и железобетон. 1999. - № 6. - С. 6 - 10.

91. Баженов, Ю. М. Модифицированные высококачественные бетоны Текст. : учеб. / Ю. М. Баженов, В. С. Демьянова, В. И. Калашников. М.: АСВ, 2006. - 368 с.

92. Каприелов, С. С. Комплексный модификатор бетона марки МБ — 01 Текст. / С. С. Каприелов, А. В. Шейнфельд, В. Г. Батраков // Бетон и железобетон. 1997. - № 5. - С. 38-41.

93. Калашников, В. И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов Текст.: дис. .докт. техн. наук: 05.23.05:защищена 03.07.96 / Калашников Владимир Иванович. Воронеж, 1996. - 89 с.

94. Kim, Н., Bentz D. Internal curing with crushed returned concrete aggregates for high performance concrete // NRMCA concrete technology forum, focus on sustainable development, 2008.

95. Таман, M.X.A. Исследование влияние способов ухода за бетоном в условиях жаркого климата на его свойства / Таман, М.Х.А.// Электр, сборник тез. докладов 66-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАСУ. 2011. - 5 с.