автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Управление процессами структурообразования монолитного бетона в климатических условиях Сирии

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ТАХУМИ АМИН

На правах рукописи

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ МОНОЛИТНОГО БЕТОНА В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ СИРИИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ,

академик РААСН, д.т.н. профессор Комохов П.Г.

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ КЛИМАТА СИРИИ, ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА СВОЙСТВА БЕТОНА И ПРАКТИКУ СТРОИТЕЛЬСТВА.... 9

1. Климат и бетон........................................................................................9-1Ь

1.1. Влияние увлажнения осадками на свойства твердеющего бетона.. 13-19

1.2. Влияние тепломассообмена на долговечность бетона......................19 -3.1

1.3. Воздействие скорости ветра и температуры воздуха на испарение

воды из бетона......................................................................................2.1 - 28

1.4. Современная технология монолитного бетона в условиях

сухого жаркого климата......................................................................23

1.4.1. Особенности технологии монолитного бетона и

управление его свойствами..................................................29-34

1.4.2. Солнечная энергия и ускорение твердения бетона..............34-35

1.5. Современные методы ускорения твердения бетона............................55 - 32

1.6. Цель и задачи исследований................................................................32-41

ГЛАВА II. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЭЛЕКТРОТЕРМООБРАБОТКА БЕТОНА МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАЗОГРЕВА БЕТОННОЙ СМЕСИ..........4?

2.1. Методы экспериментальных исследований и характеристика

исходных материалов..........................................................................41

2.1.2. Характеристики цементов....................................................- 43

2.1.3. Добавки......................................... 4з~

2.1.4. Заполнители бетона............................... 4 3 - 4 ?

2.2. Электротермообработка бетона монолитных и железобетонных

конструкций............................................. -А 2

2.2.1. Тепловлажностная обработка бетона с предварительно разогретой бетонной смесью........... ............. И-51

2.2.2. Термообработка бетона методом электропрогрева....... 51-54

2.2.3. Тепловлажностная обработка бетона при комбинированном электромагнитном и конвективном теплоподводе ... 54-55"

Выводы по П главе...........................................

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ И УСЛОВИЙ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЫ БЕТОНА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ.. 5?

3.1. Влияние температуры на гидратацию цемента и пористость цементного камня........................................ 5? -

3.2. Контракционные явления при твердении цемента в условиях повышенной температуры................................. 68- ?3

3.3. Влияние температурно-влажностного режима твердения на

кинетику роста прочности цементной матрицы бетона.......... 73- 75

3.3.1. Роль микронаполнителя при твердении цемента в

условиях повышенных температур................... 75-79

Выводы по III главе.......................................... 8 й - ¿1

ГЛАВА IV. ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ

МОНОЛИТНОГО БЕТОНА В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО

КЛИМАТА............................................................................................8Z-n

4.1. Влияние времени и температуры наудобоукладываемость

бетонной смеси.................. ................................................25-а

4.2. Особенности бетонирования в жаркую и ветреную погоду..............89-9?

4.3. Прочность и усадка бетона в условиях жаркого сухого климата... 9? _ 1QS

4.4. Природа и свойства пористого заполнителя в формировании прочности и обеспечении деформативности бетона........................105 -

Выводы по IV главе .................................................................................115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ..............................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................Л9-127

ВВЕДЕНИЕ

Бетон как материал с широкими возможностями в производстве и применении является одним из основных строительных материалов нашего времени. В последние 5 лет в Сирии заметно увеличился объем производства в строительстве и реконструкции зданий и сооружений монолитного бетона. Если за Т997 г. его производство в России составило 30 млн. м3, в США такая цифра составляет 140 млн. м3, то в Сирии значительно ниже.

Анализ современного строительствамоей страны показывает, что на технологию монолитного бетона, структурообразование цементного камня оказывают такие климатические факторы как солнечная радиация, температура, относительная влажность воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки, включая кислотные дожди и др. В силу сложности и непредсказуемостиклиматических условий во многих районах страны при переходе к современным индустриальным методам строительства, возникает необходимость в решении проблемы получения прочных и долговечных цементных материалов с заданными свойствами с учетом их взаимодействия с особенностями климата. Коротко можно сказать, что бетон и климат - это далеко не решенная проблема сегодня в моей стране. Гелиотермообработка бетона и изделий на его основе -проблема сегодняшнего дня.

Таким-образом, работатгосвященагактуальной теме современного строительного материаловедения - тгроблеме унравленияпроцеееами структурообразования монолитного бетона в условиях жаркого сухого хнимата.

Для достиженшгпоставлешюй целирешались еледующие-задачи:

1. Оценить особенности климата Сирии, его воздействия на технологию и свой-

2. Исследовать возможности управления инроцегсыетруктурообразовния цементной матрицы бетона при повышенных температурах, имитирующих телиотермо-обработку.

3. Оценить контракционные явления при твердении цемента в условиях повышенной температуры.

4. Рассмотреть влияние времени выдержки, температуры и скорости ветра на удобоукладываемость бетонной смеси, содержание объема воздушной фазы и кинетику испаренияводы затворения.

5. Определитьпрочность, уеадкубетонавусловияхсухогожаркого климата.

6. Исследовать природуи евойства пористого заполнителя (керамзита) в формировании прочности и обеспечения деформативности легко гобетона, включая действие демпфирующей добавки СНВ.

Научная новизна

1. Для монолитного бетона в условиях сухого жаркого климата Сирии, предложены пути и варианты управления свойствами цементной матрицы через предварительный элекгроразогрев цементной пасты и бетонной смеси в интервале температур 50...60°С, водопотребность бетонной смеси с учетом ее выдержки во времени, изменение содержания объема воздушной смеси, минимизацию расхода цемента, прочность, усадку и деформативность бетона, природу и зерновой состав крупного пористого заполнителя (керамзита) с воздухововлекающей добавкой демпфирующего действия СНВ.

2. Впервые рассмотрены явления контракции при твердении портландцемента на основе предварительного электроразогрева цементной пасты нормальной густоты при температуре 50°С. Величина контракции на 100 г цемента составила: для повы-

шенной температуры 3.33 мл; для нормальной - 1.67 мл. В возрасте 200 суток соотношение 2:1 сохраняется.

3. Рассмотрены особенности бетонирования в сухую жаркую погоду при скорости ветра до 15 км/ч с выдержкой бетонной смеси в течение 60 мин. Построены графические зависимости в виде изолиний влажности для температуры 50 и 60°С, характеризующих потери воды затворения в смеси за счет ее испарения.

4. Показано, что для монолитного бетона с минимальным расходом цемента до 300 кг/м3 делает технологию монолитного бетона более гибкой в управлении его структурообразованием с улучшенными свойствами по прочности, усадке, трещино-стойкости.

5. Установлена роль пористого заполнителя и дополнительного воздухововле-чения до 5% в кинетике прочности, деформативности, развития упругих и пластических деформаций легкого бетона для условий твердения в сухом жарком климате.

Практическая ценность

Монолитный бетон с температурой твердения 50...60°С, при расходе цемента 300 кг/м3, с применением воздухововлекающей добавкой СНВ технически и экономически эффективен в строительстве Сирии.

Показано, что применение предварительного электроразогрева бетонной смеси как метода ускоренного твердения бетона наиболее адекватно по сути физико-химических процессов структурообразования цементных материалов решает технологические задачи близкие к климатическим условиям Сирии. Метод является простым и неэнергоемким.

Управление структурообразованием монолитного бетона позволяет получить материал с улучшенными свойствами по прочности, усадке и трещиностойкости.

Полученные зависимости по количеству испарения водя в виде изолиний влажности для температуры твердения 50 и 60°С и при скорости ветра 15 км/ч при относительной влажности воздуха 45% позволяет корректировать значение В/Ц бетонной смеси с учетом изменений климатических условий в момент бетонирования.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научно-практической конференции (Неделя науки-97 и Неделя науки-98) в Петербургском государственном университете путей сообщения.

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ КЛИМАТА СИРИИ, ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СВОЙСТВА БЕТОНА И ПРАКТИКУ СТРОИТЕЛЬСТВА

Основным материалом современного строительства в любой стране является сборный и монолитный бетон - универсальный, широко используемый конструкционный и теплоизоляционный материал. Особенно большое значение приобретает в данное время проблема долговечности этого материала, контактирующего с окружающей средой. Научное прогнозирование, управление процессом структурообразования, обеспечивающих его долговечность связано с индивидуальным подходом к производству конструкций в различных природно-климатических условиях. При застройке и реконструкции зданий и сооружений должны найти свое комплексное решение проблемы -технико-строительные, естественно-географические и архитектурно-композиционные.

1. Климат и бетон

Анализ строительства моей страны показывает, что наибольшее влияние на состояние конструкций, особенно из искусственных капиллярно-пористых материалов на цементных вяжущих в процессе строительства и эксплуатации оказывают такие климатические факторы, как солнечная радиация, температура воздуха, влажность, направление и скорость ветра, атмосферные осадки и экология окружающей среды, степень ее загазованности.

Изучение свойств и условий возникновения перечисленных факторов многих регионов Сирии является важным и актуальным в связи с развитием новых объектов строительства в сложных в физико-географических отношениях территорий, которые как правило, недостаточно информированы данными специальных метеорологических

наблюдений. В силу сложности и неопределенности климатических условий в этих районах при переходе к современным индустриальным методам строительства (включая гелиотехнологию бетона) возникает необходимость в решении проблемы получения прочных строительных материалов с заданными свойствами на цементных вяжущих с учетом механизма взаимодействия между структурой бетона и особенностями климата.

Практика строительства в Среднеазиатском регионе СНГ (что практически равноценно и для Сирии) показывает, что в выборе материалов конструкций зданий и сооружений, контактирующих с внешней средой, климат оказывает решающее влияние на все этапы строительного производства и долговечность конструкций и сооружений. Особое внимание с этих позиций должно быть уделено условиям твердения бетона при наборе им ранней прочности:

Климат Сирии имеет ярко выраженный субтропический характер по влажности; и температуре. В среднем температура ^ период марта-сентября месяцев составляет днем и ночью. Влажность воздуха в большей мере составляет 45-

50%. Зима теплая однако заморозки бывают почти ежегодно. Годовая сумма

осадков 100 мм в Сирийской пустыне. Летом дует знойный ветер хамсин, несущий; много песка и пыли.

В силу сложности климатических условий моей страны при решении проблемы применения и получения прочных и долговечных материалов на цементных вяжущих с заданными свойствами, необходимо в наибольшей степени использовать положительное влияние метеорологических факторов и устранить или предупредить отрицательные их воздействия. Это необходимо учитывать при проектировании состава бетона, его технологии приготовления и особенно следует с этим считаться как с режимом твердения бетона в окружающей среде, особенно первые семь-десять дней после его

укладки. Между климатической средой и бетоном складывается сложная и многообразная связь, которой необходимо управлять, чтобы обеспечить заданные свойства и долговечность бетонных и железобетонных конструкций и сооружений. На рис. 1.1 показана схема этой взаимосвязи, которая свидетельствует о том, что внешняя среда во многом участвует в дифференцированном подходе к решению технологических задач в приготовлении бетонной смеси и обеспечению режима твердения бетона с одной стороны, снижения усадочных деформаций и устранения возможности образования трещин, с другой.

В большинстве случаев возможно обеспечение требуемого уровня к ограждающим и несущим конструкциям из бетона или составляющим исходным материалам применительно к конкретному виду конструкций, сооружения и классу (марки) бетона.

При выборе материалов или конструкций на цементных вяжущих с учетом подбора состава бетона необходимо руководствоваться следующими соображениями:

- следует установить приоритетность климатического фактора в конструктивном воздействии на процесс структурообразования бетона;

- изолировать или, по-крайней мере, минимизировать отрицательное влияние климатического фактора на формирование структуры (деструкцию) бетона и его долговечность;

- обеспечить правильное хранение заполнителей бетона, исключающие его загрязнения пылью от ветрового воздействия хамсин;

- оптимизировать условия ускоренного твердения бетона за счет использования солнечной энергии;

- выбрать добавку полифункционального механизма действия, снижающую водосо-держание бетонной смеси, повышающую раннюю прочность бетона и его трещино-стойкость за счет демпфирующего действия;

f

i) &

4

О

M g

í!

N *

5 ? S *

3 «a

i?

<u 3 C)

fc s 0

<sl ^

y

rf) 4»

y

s

H Со

Ü

Cj

a

- определить защитное покрытие гидрофобного действия для нанесения на поверхность бетона в конструкции или сооружении, исключающей испарение воды из структуры твердеющего бетона, как условия его долговечности.

Необходимо оценить и правильно учесть воздействия климатических факторов для принятия соответствующих мер предосторожности от воздействия вредных примесей выбросов в атмосферу промышленных предприятий и автотранспорта, способных создать высокую концентрацию кислотных оксидов (80г, ЗОз, N02, фенола и др.), снижающих долговечность бетона и декоративность поверхности.

1.1. Влияние увлажнения осадками на свойства твердеющего бетона

Проблема свойств бетона и его долговечности для условий сухого жаркого климата в первую очередь будет связано с исследованием путей и условий перемещения воды в структуре твердеющей цементной матрицы (цементном камне). Характер и интенсивность передвижения воды в структуре бетона определяют воздействие и физическую природу процессов условий внешней среды.

Водопоглощение внутрь бетона и влагопотери с его поверхности происходит по разному механизму: конденсация водяных паров, наружная фильтрация, капиллярная всассываемость и капиллярное перемещение воды под влиянием температурного градиента, внутренних локальных напряжений в неоднородной структуре бетона и др. [1...7]. Безусловно эти процессы будут определяться условиями смачиваемости пор, степени их оводнения. Так увеличение толщины пленки конденсата и снижение ее скорости стекания (влагопотери) будут зависеть от степени шероховатости поверхности подложки твердой фазы, ее пористости.

А.В.Лыков [4...6] считает, при сушке влажных материалов имеет место влияние объемного испарения, но в меньшей степени, чем при испарении жидкости со свободной поверхности. Это условие приемлемо и для нашего анализа как последствия увлажнения бетона осадками.

Фильтрация влаги через поверхность бетона происходит по порам и капиллярам. Предложенная классификация пор [1] по размерам разделена на поры цементного камня как результат контракции при твердении системы цемент-вода [8] и поры, образующиеся по контакту цементного камня и заполнителя (по определению В.В.Стольникова [9] - это поры седиментационного происхождения. Данные о классификации пор представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Классификация пор по группам и размерам

Вид пор Группа пор и их наименование Размер пор, мкм

макропоры I крупные г > 1

II капиллярные 1 > г >0.1

микропоры III переходные (контракционные) 0.1 > г >0.01

IV поры геля о от 30 до 40 А

Макропоры I и П групп в наибольшей степени ухудшают физико-механические свойства бетона. Если микропоры III и IV групп образуются при твердении