автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высокопрочные бетоны с органоминеральным модификатором, содержащим расширяющий компонент

На правах рукописи

НГУЕН ТХЕ ВИНЬ

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ С ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМ МОДИФИКАТОРОМ, СОДЕРЖАЩИМ РАСШИРЯЮЩИЙ КОМПОНЕНТ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МДР 2012

Москва 2012

005013525

005013525

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: - Доктор технических наук, профессор

Баженов Юрий Михайлович.

Официальные оппоненты: - Доктор технических наук, профессор

Нисаев Игорь Петрович

- Кандидат технических наук

Суханов Михаил Александрович

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт московского строительства»

Защита состоится "20" марта 2012 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское ш., д.26 в аудитории_.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан "_" февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По объемам производства, эксплуатационно-строительным свойствам бетон и железобетон являются основными конструкционными материалами. Только в России в XX веке в строительстве было использовано около 10 миллиардов кубометров бетона и железобетона. Мировой объем производства этой продукции достигает трех миллиардов кубометров в год.

Современные высокопрочные (ВПБ) и высококачественные (ВКБ) бетоны, отвечая задачам технологического прогресса, позволяют существенно снизить материалоемкость и повысить эффективность строительства. Вместе с тем, сегодня предъявляется новый уровень требований к бетонам. Это обусловлено применением их не только в обычных, но и в особых экстремальных условиях, в конструкциях новых архитектурных форм, оболочках, трубах, резервуарах, покрытиях дорог, аэродромов, защитных элементов и т.д., где необходимы повышенная трещиностойкость, прочность на растяжение, высокая ударная вязкость и изностойкость. Усадка цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, может достигать 3 мм на 1 м. Для бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 - 0,5 мм на 1 м и зависит от вида и свойств заполнителя. Так усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше по сравнению с усадкой бетона, изготовленного на основе гравия и щебня.

Железобетон имеет в 2 раза меньшую усадку, чем обычный бетон, но усадка железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет. При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов, твердеющих на воздухе, на 38-45 % от исходной величины. Повышение эксплуатационных свойств бетона достигается в последние годы за счет низких В/Ц отношений, комплексного использования органоминеральных добавок, содержащих в своем составе высокоэффективный суперпластификатор (СП) и тонкоизмельченный минеральный наполнитель. Введение расширяющей

добавки в процессе приготовления бетонной смеси регулирует энергию рас-

3

ширения вяжущего, что позволяет получать бетоны для сборного и монолитного строительства как с компенсированной усадкой, так и напрягающие с различной энергией самонапряжения, обеспечивая высокое качество изделий.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ МГСУ по программе «Архитектура и Строительство».

Цель и задачи исследования.

Целью работы является получение высокопрочных бетонов с прочностью от 40 МПа до 60 МПа с улучшенными деформативными характеристиками с использованием органоминеральных модификаторов, содержащих расширяющие компоненты.

В соответствии с поставленной целью работы определены следующие

задачи:

1. Изучить влияние вида, степени дисперсности и дозировки наполнителей, как составной части цементной матрицы, на физико-механические свойства, усадку и усадочную трещиностойкость цементного камня и бетона

2. Разработать составы новых органоминеральных модификаторов, бетонов которые будут отличаться улучшенными физико-техническими свойствами за счёт введения расширяющего компонента, эффективностью действия, расширенной сырьевой базой.

3. Исследовать влияние разработанных органоминеральных модификаторов на усадку и прочностные свойства цементного камня.

4. Исследовать влияние органоминеральных модификаторов с расширяющим компонентом на усадку, прочностные и деформативные характеристики разработанных бетонов.

5. Осуществить внедрение разработанных модифицированных тяжёлых бетонов с оценкой их технико-экономической эффективности.

Научная новизна работы. Научная новизна работы определяется решением проблемы снижения усадки и повышения усадочной трещино-стойкости высокопрочных бетонов с использованием ультрадисперсных минеральных наполнителей низкой водопотребности на основе сульфоалюми-ната кальция, который в результате реакции с водой образует эттрингит и расширяются. Полагают, что образование эттрингита не происходит в жидкой фазе цемента. Соединение С4А33 и оксид кальция реагируют с образованием твердого раствора, состоящего из пластинчатых кристаллов гексагонального типа моносульфата и гидрата алюмината кальция типа С4АН13. При последующей реакции моносульфата с гипсом образуются игольчатые кристаллы эттрингита. Очевидно, что моносульфат не содействует расширению, в то время как образование эттрингита обеспечивает расширение.

Расширение наряду с увеличением прочности вызывает сжимающие усилия в бетоне, уменьшающие растягивающие напряжения, связанные с усадкой от высыхания. Поэтому как трещинообразование, так и усадка при высыхании уменьшаются.

Практическая значимость работы:

Варьирование количеством расширяющей композиции в составе минеральной части модификатора позволил управлять деформациями расширения-усадки и получать бетоны из высокоподвижных смесей с улучшенными деформационными свойствами - повышенным модулем упругости и пониженной ползучестью, с компенсированной усадкой или расширением.

Используя комплексные органоминеральные модификаторы можно получать высокопрочные (в том числе мелкозернистые) бетоны, обладающие высокими деформационными характеристиками, пониженным трещинообра-зованием и высокими эксплуатационными и технологическими свойствами. Применение данных видов бетонов позволит существенно снизить трудозатраты и стоимость работ при строительстве массивных бетонных объектов и сооружений, а также повысить их качество и долговечность.

Внедрение результатов исследований:

Разработана технологическая схема и рекомендации по производству изделий из бетонных смесей с комплексным модификатором и сделан расчет технико-экономической эффективности в сравнении с аналогичным производством изделий из обычных смесей. Разработаны технические условия на модификатор бетона серии ЭМБЭЛИТ, позволяющий получать бетоны с компенсированной усадкой.

Результаты исследований внедрены при строительстве «Дворца водных видов спорта» в г. Казань. В результате использования разработанного модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. экономический эффект составил 4,594 млн. рублей, при этом значительно упростилась технология укладки смеси, ее технологические свойства, была обеспечена термическая трещиностой-кость конструкции и достигнута высокая прочность бетона в конструкции (в возрасте 32 суток прочность бетона в конструкции составляла 46,6...70,6 МПа, что выше значения требуемого регламентом Ктр=46,0 МПа).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на кафедре Строительных материалов МГСУ.

На защиту выносится:

- составы разработанных комплексных модификаторов для бетонов, позволяющие получать высокопрочные бетоны с компенсированной усадкой;

- составы высокопрочных бетонов содержащих комплексный модификатор, позволяющий компенсировать их усадку и повышать деформатив-ные свойства;

- установленные зависимости влияния разработанных модификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов;

- прочностные и деформативные свойства высокопрочных бетонов с комплексным модификатором;

- технологическая схема и рекомендации по производству изделий из высокопрочных бетонов с комплексным модификатором.

6

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 150 наименований, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит рисунков 20, таблиц 31 и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность выбранного направления исследования, обусловлена современным развитием технологии бетона и повышающими требованиями к качеству бетонных конструкций и сооружений.

При обзоре и анализе научно-технической литературы в области разработки высокопрочного бетона повышенной долговечности, рассмотрены основные закономерности развития усадочных деформаций в зависимости от рецептурно-технологических факторов, а также выявлен анализ влияния суперпластификаторов и микронаполнителей на усадку и усадочную трещино-стойкость цементного камня и высокопрочного бетона.

В механизме действия суперпластификаторов типов НФ, МФ и JICT преобладает эффект электростатического отталкивания частиц цемента и стабилизации, вызванный тем, что адсорбционные слои из молекул суперпластификаторов повышают величину дзета-потенциала на поверхности цементных частиц. Величина дзета-потенциала зависит от адсорбционной способности суперпластификаторов, т.е. чем выше величина адсорбции, тем больше абсолютная величина этого потенциала, имеющего отрицательный знак.

В механизме действия суперпластификаторов типа П роль дзета-потенциала меньше, а взаимное отталкивание частиц цемента и стабилизация суспензии обеспечивается за счет преобладания стерического эффекта, обусловленного тем, что поперечные звенья полимерной цепи создают адсорбционную объемную защитную оболочку вокруг частиц твердой фазы, предотвращая слипание частиц и способствуя их взаимному отталкиванию. Следует отметить, что толщина адсорбционного слоя, как правило, больше, чем

в случае с другими типами суперпластификаторов, а это значит, что в общем

7

объёме свободной и адсорбционно-связанной воды в системе доля последней увеличивается.

Силы взаимного отталкивания, вызываемые суперпластификаторы типа П, почти вдвое больше сил отталкивания, вызываемых МФ и НФ, и втрое больше сил, вызываемых JICT.

Благодаря своим особенностям суперпластификаторов типа JICT и П более эффективны по сравнением с остальными суперпластификаторами, что выражается в сравнительно низких дозировках, низкой чувствительности к виду и составу цемента, в длительном сохранении бетонными смесями первоначальной консистенции и в их повышенной связности — нерасслаиваемо-сти, что делает их предпочтительными для получения высокоподвижных и стабильных бетонных смесей.

В бетоне и растворе могут развиваться трещины при усадке 0,4 мм/м или больше. Поскольку сжатие из-за усадки в процессе твердения бетона может достигать 0,7—0,8 мм/м, для предотвращения появления трещин в ненапряженном бетоне требуется тщательный контроль материалов бетона, укладки и выдержки. При использовании расширяющих добавок можно добиться снижения потенциального трещинообразования в бетоне.

Преобладающее большинство способов получения расширяющихся цементов основано на кристаллизации гидросульфоалюмината кальция при взаимодействии сульфата кальция с вводимым цементом или образующимися при его гидратации гидроалюминатами кальция. Хотя по выполнению эти способы различны, все они сводятся к использованию глиноземистого или сульфо-алюмннатного цемента в смеси с портландцементом, известью, гипсом или в других сложных композициях.

В последние 20 лет применяют два типа добавок на основе сульфоа-люмината кальция (CSA) и оксида кальция (извести), которые предотвращают изменение объема из-за усадки. Компенсация усадки достигается при меньшем количестве добавки, в то время как химическое предварительное

напряжение бетона получают при более высоких дозах.

8

Одна из добавок на основе сульфоалюмината кальция носит название Денка CSA. Используются также и другие составные добавки этого типа, а также смеси CaS04 и СаО.

Добавки на основе извести были разработаны в начале 70-х годов. К ним относится продукт, называемый «Онода Экспан»; он имеется на рынке. Добавки указанного типа используются в больших количествах в Японии, Австралии и некоторых странах Юго-Восточной Азии. В Канаде проводятся работы по применению этих материалов для закрытия скважин.

Хотя реакции, которые вызывают расширяющие усилия в смесях на основе CSA и извести, различны, их влияние на свойства бетонов и растворов и их применение одинаковы.

Наиболее широко используемая однокомпонентная добавка — суль-фоалюминат кальция — состоит из 30% C4A3S, 50% CaS04 и 20% СаО.

Другие материалы типа CSA включают смеси C4ASH12 и C2S (моносульфат и гипс) и смеси из цемента типа I, высокоалюминатного цемента, CaS04-2H20, Са(ОН)2 и СаО.

При использовании в таких специальных областях строительства, как подливка конструкций раствором и тампонирование нефтяных скважин, безводный сульфоалюминат кальция комбинируют с двумя или более добавками, указанными ниже: диспергирующими, агентами, выделяющими газ, например, порошком алюмнии или частицами обезвоженного кокса, порошкообразным акриловым латексом для увеличения сил сцепления, а также с веществами, увеличивающими или уменьшающими плотность раствора — баритами или бентонитами.

Продукты, содержащие известь гранулометрического состава в пределах 80—96%, используются как однокомпонентные добавки на основе извести.

Безводный сульфоалюминат кальция получают при обжиге извести, гипса и боксита. Активный расширяющий агент C4A3S образуется или в результате реакции, протекающей в твердой фазе между CaS04 и смесью со-

9

единений, содержащих СаО и А1203, или в результате взаимодействия газообразного S03 со смесью указанных соединений. Чтобы сохранить возможность расширения в течение длительного периода, необходимо, чтобы рост кристаллов CSA проходил в медленном темпе.

Обычно для компенсации усадки используют отношение добавки к цементу, равное 9—11 (добавка): 91 — 89 (цемент). При таких соотношениях свойства бетона с добавкой CSA аналогичны свойствам портландцементных бетонов с подобным же составом смесей. Однако при дозировке смеси больше 11% удобоукладываемость бетона и прочность уменьшаются с увеличением расширения и воздухововлечения. При неограниченном расширении, превышающем 3 мм/м, прочность уменьшается.

Применение добавки на основе извести при дозировке 6—7% дает возможность выпускать бетон со свойствами, аналогичными свойствам портландцементных бетонов. Снижение прочности, вызываемое более высокими дозировками (в отсутствие ограничений), более значительно в связи с большим расширением и восприимчивостью добавки к влаге. При больших дозах добавки (>9%) наблюдаются вспенивание и увеличенное воздухо-вовлечение.

Если дозировки добавок составляют 8—11% для CSA и 6—7% для содержащих известь бетонов, то при водной выдержке бетона или при 100%-ой относительной влажности расширение больше, чем при выдержке в изолированных камерах с другими добавками. В условиях выдержки при 50%-ой относительной влажности (воздушная выдержка) расширение небольшое (0,05%), а усадка происходит через 7 сут. Прочность при сжатии материала после водной выдержки немного ниже, чем у материала после воздушной выдержки. Указанные эффекты в большей степени проявляются в предварительно напряженных изделиях, так как для них используются более высокие дозировки добавок. При отсутствии ограничений в условиях влажной выдержки может произойти расширение с разрушением.

Для проведения основных экспериментальных работ были использованы портландцемент Воскресенского завода М500. Основные свойства цементов определенные по ГОСТ 310.3-84 - 310.4-84. Нормальная густота: 26,5%; В.Ц = 36,7МГ1а; И™ = 6,ЗМПа; С38=63%; №16%; С3А=7%; С=14%; В качестве мелкого заполнителя для бетона использовали речной, кварцевый песок Подмосковного месторождения (содержание отмучиваемых частиц в нём не более 1% по массе согласно ГОСТ 10268-80, модуль крупности 2,66). Его свойства были определены в соответствии с ГОСТ 8735-88*. Песок удовлетворяет требованиям ГОСТ 8736-93. Истинная плотность-2,67 г/см3; Объёмная насыпная плотность-1595кг/м3; Пустотность-40,26%; Водо-потребность-6,3%; Модуль крупности-2,66Мк. При приготовлении бетонов в качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень фракции 5...20 мм. Истинная плотность-2,69 г/см3; средняя насыпная плотность-1425 кг/м3; водопоглощение-0,2%; содержание ила, пыли-0,15%. В качестве суперпластификатора использовали С-3 ( производитель ООО «Полипласт Новомосковск ) г. Новомосковск, партия № 813 от 02.10.2006) соответствующий ТУ 5870005-58042865-05; Лигносульфонаты технические жидкие (ЛСТ) - ТУ - 130281036-029-94 Однородная густая жидкость тёмно-коричневого цвета (взамен ТУ -13-0281036-05-89, ОСТ 13-183-83, ОСТ 81-04-546-79- концентраты сульфитно-дрожжевой бражки, концентраты бардяные жидкие).

Определение прочности высокопрочного бетона при сжатии и изгибе производили в соответствии с требованиями ГОСТ 10180. Призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 24452 на образцах-призмах квадратного сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4. Ширина (диаметр) образцов принималась равной 70 мм. Деформации расширения-усадки и ползучесть (при уровне нагружения О.ЗИЬп) определяли на образцах 100x100x400 мм в соответствии с ГОСТ 24544 и ТУ 5743-157-46854090-03. Самонапряжение бетонов определяли по величине деформаций расширения

образцов 50x50x200 мм в условиях одноосного упругого ограничения, соз-

11

даваемого динамометрическими кондукторами в соответствии с ТУ 5743157-46854090-03.

Для оценки эффективности действия и выбора оптимального расширяющего компонента для получения бетонов с улучшенными деформатив-ными свойствами были проведены предварительные испытания, в которых исследовались различные микронаполнители: микрокремнезем (МК), зола уноса (ЗУ), зола от сжигания рисовой шелухи (ЗРШ), метакаолин (МКЛ), ме-такаолин в комбинации с гипсом с отношением 1:1, минеральный порошок из известняковых пород (ИП) и минеральный порошок из отходов производства газобетонных блоков (ГП). При проведении испытаний 10 % цемента по массе заменялось различными микронаполнителями. Эффективность микронаполнителей в качестве расширяющихся компонентов оценивалась, прежде всего, по значению усадки цементного камня в возрасте от 1 до 28 суток, а также по значениям подвижности (расплыву мини-конуса с1Еерх=35 мм, с1ниж„= 65 мм, Ь=60 мм) и индексу активности. Водотвердое отношение для каждого состава составляло 0,4. Для увеличения пластичности цементного теста в каждый состав вводился суперпластификатор С-3 (ТУ 5870-005-58042865-05), в количестве 0,5 % от массы твердого вещества. Результаты испытаний по определению эффективности микронаполнителей приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты испытаний по определению эффективности микронаполнителей ______

№ Состав цементного теста Усадка цементного камня, мм/м Р, мм И

1 день 2 дня 3 дня 7 дней 28 дней

1 Цемент 100% 0 -0,08 -0,13 -0,13 -0,17 192,5 1

2 Цемент + 10% МК 0 -0,13 -0,13 -0,21 -0,33 187,5 1,2

Цемент + 10% ЗУ 0 -0,04 -0,04 -0,04 -0,04 192,5 1,1

4 Цемент + 10% ЗРШ 0 -0,32 -0,36 -0,37 -0.38 155,0 1,1

Цемент+10% МКЛ 0 0,10 0,16 0,18 0,20 252,5 1,3

6 Цемент + 10% (МКЛ+Гипс) 0 0,12 0,18 0.22 0,26 252,5 1,3

7 Цемент + 10% ИП 0 -0,08 -0.1 -0,15 -0,17 137,5 1.0

8 Цемент + 10% ГП 0 -0,09 -0,12 -0,16 -0,23 207,5 1,3

Р-. Расплыв мини-конуса, И: Индекс активности

Анализируя результаты испытаний, приведенные в таблице 1, можно сделать вывод, что из всех представленных микронаполнителей наиболее

подходящим в качестве расширяющегося компонента для высокопрочных бетонных смесей с компенсированной усадкой можно считать метакаолин, а также смесь метакаолина и гипса. Данные микронаполнители при добавке в цемент в количестве 10% от массы способствуют расширению цементного камня до 0,2 и 0,26 мм/м, увеличивают подвижность цементного теста до 252,5 мм, а также увеличивают до 1,3 индекс активности. Из остальных добавок можно выделить золу уноса, которая приводит к снижению усадки до 0,04 мм/м, не снижает подвижности цементного теста и приводит к увеличению индекса активности до 1,1.

В дальнейших исследованиях были использованы комплексные орга-номинеральные модификаторы, в которых кроме расширяющего компонента (смесь метакаолина и гипса в отшении 1:1), также присутствовали пластификаторы (С-3 и лигносульфонаты технические жидкие (далее ЛСТ). Но результатам предварительных испытаний цементных паст на мини-конусе были назначены следующие дозировки суперпластификаторов в расчете на сухое вещество: для С-3 - 8 и 10% от массы микронаполнителя, для ЛСТ - 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5%. В зависимости от состава модификаторы подразделяются на марки, в наименовании которых по аналогии с уже известными модификаторами серии ЭМБЭЛИТ первая цифра показывает процентное содержание органической части - суперпластификатора (от массы модификатора), вторая цифра через тире указывает долю минеральной части, представленной различными минеральными расширяющимися композициями (в данном исследовании в каждом составе 100, т.к. в каждом составе минеральная часть представлена только расширяющимя компонентом). Состав и обозначение комплексных органоминеральных модификаторов приведены в таблице 2.

В дальнейших исследованиях оценивалась эффективность использования в органоминеральных модификаторах (серии ЭМБЭЛИТ) двух видов суперпластификаторов (С-3 и ЛСТ) с различным механизмом действия на цементную систему. Оценка эффективности суперпластификаторов проводи-

№ Обозначение Состав в % по массе

Минеральная часть Органическая часть

расширяющийся компонент Доля С-3 ЛСТ

Метакаолин Гипс компонента, %

1 ЭМБ 8-100 46 46 92 8 -

2 ЭМБ 10-100 45 45 90 10 -

3 ЭМБ 1-100.Л 49,5 49,5 99 - 1

4 ЭМБ 1,5-ЮО.Л 49,25 49,25 98,5 - 1,5

5 ЭМБ 2-100 .Л 49 49 98 - 2

6 ЭМБ 2,5-100.Л 48,75 48,75 97,5 - 2,5

лась по значению подвижности (расплыву мини-конуса) и прочности при сжатии в возрасте 28 суток. Образцы изготавливались из смеси цемента (90 %) и органоминерального модификатора (10 %) с постоянным водоцемент-ным отношением 0,35. В состав цементной системы суперпластификаторы водили в растворенном виде вместе с водой затворения. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

№ Модификатор Подвижность, Р. ^28,

мм кг/м3 МПа

1 ЭМБ 8-100 210 2136 67,0

2 ЭМБ 10-100 215 2120 62,4

3 ЭМБ 1-100.Л 105 2195 61,0

4 ЭМБ 1,5-100.Л 119 2200 66,4

5 ЭМБ 2-100.Л 122 2212 63,0

6 ЭМБ 2,5-100.Л 140 2235 62,8

На основании данных результатов испытаний, приведенных в таблице 3, удалось установить, что из разработанных составов органоминеральных модификаторов наиболее эффективными по критерию прочности оказались составы ЭМБ 8-100 и ЭМБ 1,5-ЮОЛ, которые повысили прочность цементного камня до 67,0 и 66,4 МПа. При этом, данные модификаторы способствовали увеличению подвижности цементного теста (по значению расплыва мини-конуса) до 210 и 119 мм. Очевидно, что для получения высокоподвижных и литых бетонных смесей целесообразнее использовать модификаторы с пластификатором С-3 (ЭМБ 8-100 и ЭМБ 10-100), т.к. они имеют более значительный эффект пластификации, чем модификаторы на основе ЛСТ, которые рекомендуется примять для бетонных смесей с невысокой подвижностью.

Далее для определения оптимальной дозировки органоминеральных модификаторов для высокопрочных бетонов с компенсированной усадкой были проведены дополнительные исследования, в которых количество вводимой добавки двух видов модификаторов (ЭМБ 8-100 ЭМБ 1,5-100.Л) составляло 10, 15 и 20 % от массы цемента. Исследования проводили на цементных пастах с В/(Ц+модификатор)=0,4, так как согласно приведенным выше данным, при этом водотвердом отношении независимо от состава минеральной части, эффективность выбранных органоминеральных модификаторов приблизительно одинакова. Результаты испытаний приведены в таблице 4 и на рисунках 1 и 2.

Таблица 4. Свойства цементного камня с различными дозировками

модификаторов

№ Обозначение Кол-во модификатора, % от массы цемента Подвижность, мм Р. кг/м3 1*28, МПа

1 ЭМБ 8-100 10% 210 2136 67,0

2 ЭМБ 8-100 15% 230 2213 64,1

3 ЭМБ 8-100 20% 270 2210 61,2

4 ЭМБ 1,5-ЮОЛ 10% 119 2200 66,4

5 ЭМБ 1,5-ЮО.Л 15% 125 2205 70,1

6 ЭМБ 1,5-ЮОЛ 20% 129 2210 50,2

3,5 3

«с

5 2»5 а 2

и

в. 1,5

а

и 1 я 1

0,5

и

о

0 10 20 30 40 50 60 70

-ЭМБ 8-100 20% от Ц .......ЭМБ 8-100 15% от Ц

--ЭМБ 8-100 10% от Ц

Рисунок 1 Усадка цементного камня с различными дозировками модификатора ЭМБ 8-100

0,7

0,6

0 10 20 30 40 50 60 70

-ЭМБ 1,5-100л 20% от Ц.......ЭМБ 1,5-100л 15% от Ц--ЭМБ 1,5-100л 10% от Ц

Рисунок 2 Усадка цементного камня с различными дозировками модификатора ЭМБ 1,5-100. Л

Согласно полученным данным, максимальная прочность при сжатии цементного камня с модификатором ЭМБ 8-100, достигается при его дозировке в количестве 10% от массы цемента, и составляет 67,0 МПа. При повышении дозировки модификатора ЭМБ 8-100 до 20% наблюдается незначительное снижение прочности при сжатии до 61,2 МПа, что обусловлено увеличением водоцементного отношения. При этом наблюдаются значительные изменения в значениях расширения модифицированного цементного камня в зависимости от дозировки: при добавке 10 % модификатора усадка к 30 суткам составляет 0,6 мм/м, при 15 % - 2,2 мм/м и при 20 % - 3,0 мм/м.

При использовании модификатора ЭМБ 1,5-100.Л максимальная прочность при сжатии цементного камня достигается при его дозировке в количестве 15% от массы цемента, и составляет 70,1 МПа. Значения расширения при использовании модификатора ЭМБ 1,5-100.Л значительно меньше, чем при использовании ЭМБ 8-100 и к 30 суткам достигают значений 0,1, 0,5 и 0,6 мм/м при дозировке модификатора 10,15 и 20 % соответственно.

Полученные экспериментальные данные о влиянии органоминераль-ных модификаторов серии ЭМБЭЛИТ с расширяющим компонентом на подвижность цементного теста, прочность и усадку цементного камня, позволяют рекомендовать их для применения при производстве бетонов с компенсированной усадкой. Варьирование вида и количества разработанных органо-минеральных модификаторов в составах высокопрочных тяжелых и мелкозернистых бетонов позволяет управлять их деформациями расширения-усадки, получать высокоподвижные технологические смеси, и в результате улучшать деформационные свойства и долговечность конструкций и сооружений из данных видов бетонов.

Для определения свойств высокопрочных бетонов с разработанными органоминеральными модификаторами были проведены дополнительные исследования, в которых исследовались значения прочности при сжатии, прочности на растяжение при изгибе, призменной прочности, деформации расширения, модуль упругости и водонепроницаемость. Составы бетонов, а также свойства бетонной смеси приведены в таблице 5.

Таблица 5 Состав и свойства бетонных смесей с органоминеральными модификаторами

№ Вид модифи- Фактический состав бетона, кг/м3 Характеристики бетонной смеси

катора Ц МБ П Щ В ОК, см воздухово-влечение, % р,кг/м3

1 ЭМБ 8-100 504 76 640 1007 171 21 5,2 2397

2 ЭМБ 1,5-100. Л 508 87 645 1016 179 0 3,1 2425

3 ЭМБ 1,5-ЮОЛ 471 71 598 942 210 15 6,6 2293

Следует отметить изменение свойств смеси в зависимости от состава органической части модификатора - увеличение подвижности, характеризуемой расплывом конуса. Очевидно также, влияние состава минеральной части модификатора на объем вовлеченного воздуха и на плотность смеси независимо от вида суперпластификатора; наибольшее воздухе вовлечение и наи-

меньшую плотность имеет бетонная смесь, содержащая модификатор ЭМБ 1,5-ЮО.Л с расходом воды 179 кг/м3, наименьшее воздухововлечеиие и максимальная плотность у бетонной смеси с ЭМБ 1,5-100.Л с расходом воды 210 кг/м3, бетонная смесь с модификатором ЭМБ 8-100, занимает промежуточное положение.

По-видимому, такая зависимость объясняется увеличением плотности упаковки частиц цементного теста и снижением вероятности защемления воздуха между частицами, обусловлена формой, размерами частиц и гранулометрией крупного и мелкого заполнителя.

Значения прочности при сжатии исследуемых бетонов в разные сроки твердения приведены в таблице 6 и на рисунке 3.

Таблица 6 Состав и свойства бетонов с органоминеральным модификатором

№ Вид применяемого модификатора Прочность бетона при сжатии, Мпа, сут

1 3 7 28 90

1 ЭМБ 8-100 36,5 59,7 62,3 85,1 86,3

2 ЭМБ 1,5-100. Л 29,8 59,8 61,2 77,0 78,5

3 ЭМБ 1,5-100.Л" 6,7 24,7 35,8 47,9 48,4

!--

/V'

Г / *

и 1 .................

.......

*

:

о 20 40 60 80 100

■ЭМБ 8-100---ЭМБ 1,5-100л ......ЭМБ 1,5-ЮОл (+ воду)

Рисунок 3 Кинетика твердения бетонов с разными модификаторами

При сравнении влияния модификаторов ЭМБ 8-100 и ЭМБ 1,5-ЮОЛ на кинетику набора прочности из условия равноподвижности бетонных смесей (составы №1 и 3 по таблице 4.2), установлено, что за счет меньшего пластифицирующего эффекта введение модификатора ЭМБ 1,5-100.Л позволяет достигнуть прочности 47,9 МПа, а введение модификатора ЭМБ 8-100 - 85,1 МПа.

Испытания по определению прочности бетонов с различными органо-минеральными модификаторами осуществлялись и в возрасте 90 суток для оценки степени гидратации этом возрасте. По результатам исследований установлено, что прочность бетонов с различными видами органоминеральных модификаторов с 28 по 90 сутки изменяется незначительно, что и составляет для бетонов с модификатором ЭМБ 8-100 - 1,2 МПа, для ЭМБ 1,5-100.Л-от 0,5 до 1,5 МПа.

Кинетику деформаций усадки-расширения бетонов с органомине-ральными модификаторами исследовали на образцах-балочках размером 50x50x200 мм.

Результаты, проведенных исследований представлены в таблице 7 и на рисунке 4.

Таблица 7 Деформации расширения-усадки бетонов процессе твердения

Модификатор Возраст, сут

0 3 7 11 26

ЭМБ 8-100 0 0,208 0,25 0,25 0,375

ЭМБ 1,5-100л 0 0,167 0,167 0,167 0,292

ЭМБ 1,5-ЮОл* 0 0,25 0,278 0,278 0,333

ЭМБ 1,5-100.Л - ЭМБ с увеличением воды до подвижности

При рассмотрении результатов расширения бетона с модификатором ЭМБ 1,5-ЮОЛ возможно установить, что состав с увеличенным количеством воды (№3), несмотря на меньшее содержание расширяющего компонента имеет большее расширение, чем состав №2 (по таблице 7). Очевидно, что данное развитие деформаций расширения для составов с модификатором

ЭМБ 1,5-ЮОЛ и большим количеством воды связано с модификатором ЭМБ 1,5-ЮОЛ с увеличением интенсивности протекания реакций в водонасыщен-

-ЭМБ 8-100 ---ЭМБ 1,5-ЮОл

Рисунок 4.2 Зависимость деформации расширения-усадки бетонов от времени твердения

ном растворе, результатом которых становится образование эттрингита в больших количествах.

В результате проведенных исследований установлено, что у бетонов с модификатором ЭМБ 8-100 расширение в процессе твердения развивается по логарифмическому закону и составляет 0,375 мм/м на 28 сутки. Для бетонов с модификатором ЭМБ 8-100 расширение в процессе твердения также развивается по логарифмическому закону и составляет 0,292 до 0,333 мм/м на 28 сутки. В результате исследований установлено, что значение расширения увеличивается при увеличении водотвердого отношения за счет более интенсивных реакций, протекающих при твердении бетона и способствующих образованию эттрингита и расширению цементного камня.

Прочностные показатели различных составов бетонов в период формирования прочности в возрасте 28 суток приведены в таблице 8. Таблица 8 Прочность высокопрочного бетона с органоминеральными модификаторами

№ Состава Ь7сж р28 Iя сж и3 14 И1Г тг7 „28 К Шг и28 14 приз

1 ЭМБ 8-100 59,7 62,3 85,1 5,1 6,5 8,4 61,4

2 ЭМБ 1,5-100л 59,8 61,2 77,0 5,0 6,3 7,9 59,3

3 ЭМБ 1,5-100л* 24,7 35,8 47,9 2,1 3,6 5,3 41,2

В результате проведенных исследований установлено, что прочность при сжатии бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 8-100 достигает значений 85,1 МПа, прочность на растяжение при изгибе - до 7,9 МПа, призменная прочность - до 61,4 МПа. Прочность при сжатии бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 1,5-100л достигает значений от 47,9 до 77,0 МПа, прочность на растяжение при изгибе от 5,3 до 7,9 МПа, призменная прочность от 41,2 до 59,3 МПа.

Экспериментальные данные, полученные, при испытаниях высокопрочного бетона с разработанными органоминеральными модификаторами приведены в таблице 9.

Таблица 9 Значения начального модуля упругости высокопрочного

бетона с органоминеральными модификаторами

№ Модификатор Кубиковая прочность МПа По СниП 2.03.01-84* Отношение экспериментального и нормативного значений

Е5.103 Е5.103 для класса

1 ЭМБ 8-100 85,1 45,6 40,5 В 65 1,13

2 ЭМБ 1,5-100л 77,0 43,2 39,5 В55 1,09

3 ЭМБ 1,5-100л* 47,9 36,3 34,5 В35 1,05

В результате проведенных исследований установлено, что модуль упругости бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 8-100 45,6-103 МПа, что превышает нормативное значение на 13 %. Модуль упругости бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 1,5-100л 43,2-103 МПа, что превышает нормативное значение на 9 %.

Более высокие экспериментальные значения модуля упругости высокопрочного бетона с органоминеральными модификаторами, превышающие

на 15...20% нормативные значения для обычного тяжелого бетона естествен-

21

ного твердения являются следствием применения расширяющих компонентов в составе органоминеральных модификаторов, которые положительно влияют на деформативные свойства бетонов и способствуют повышению модуля упругости данных бетонов.

Результаты испытаний приведены по определению водонепроницаемости исследуемых бетонов приведены в таблице 10.

Таблица 10 Результаты испытаний по определению водонепроницаемости бетонов с органоминеральными модификаторами

№ Модификатор Марка по водонепроницаемом™

1 ЭМБ 8-100 \У16

2 ЭМБ 1,5-100л \У16

3 ЭМБ 1,5-ЮОл" \У16

В результате испытаний установлено, что водонепроницаемость бетонов, определенная по ГОСТ 12730.5-84 по методу мокрого пятна, с разработанными органоминеральными модификаторами соответствует марке \У16. По всей вероятности, водонепроницаемость бетонов зависит от дозировки модификатора и не изменяется от типа применяемого пластификатора. Для получения бетонов с более высокой маркой по водонепроницаемости необходимо увеличивать дозировку органоминерального модификатора.

Разработаны технические условия на органоминеральный модификатор с расширяющим компонентом для получения высокопрочных бетонов с компенсированной усадкой.

По результатам исследований разработаны технологическая схема и рекомендации по возведению фундаментных плит из бетона класса В40.

В диссертации выполнен подробный технико-экономический расчет производства этих фундаментных плит с годовым экономическим эффектом. Общий экономический эффект от использования разработанного модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. в качестве замены модификатору ЭМБЭЛИТ 1,5100.Л. при возведении «Дворца водных видов спорта» в г. Казань, составил 4,594 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. С помощью выбранных методов исследования произведена оценка влияния микронаполнителей на свойства цементного теста и камня по определяющим механизм их действия параметрам: подвижность, усадка-расширение и индекс активности. Установлено, что наиболее эффективным микронаполнителем является смесь гипса и метакаолина в соотношении 1:1, который значительно увеличивает пластичность цементного теста, прочность цементного камня и способствует его расширению до 0,26 мм/м.

2. Разработаны оптимальные органоминеральные композиции — модификаторы, содержащие в минеральной части выбранный комплексный микронаполнитель, а в органической части суперпластификатор (С-3 или ЛСТ) в следующих соотношениях:

- ЭМБ 8-100 [ 8% СП С-3 + 92% (гипс + метакаолин) ]

- ЭМБ ] ,5-100.Л [ 1,5% ЛСТ + 98,5% (гипс + метакаолин) ]

3. Исследовано влияние разработанных органоминеральных модификаторов на усадку и прочность цементного камня. Установлено, что орга-номинеральный модификатор ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л при оптимальной дозировке в количестве 15 % от массы цемента, позволяет достигнуть расширения цементной системы в возрасте 28 суток до 0,46 мм/м, что в свою очередь приводит к увеличению прочности до 70,1 МПа, за счет снижения количества дефектов, возникающих в цементном камне в процессе гидратации.

4. Установлено влияние разработанных модификаторов ЭМБ 8-100 и ЭМБ 1,5-100.Л, на кинетику набора прочности бетонов. Введение модификаторов позволяет достигать прочности в первые сутки твердения от 29,8 до 36,5 МПа, а на 28 сутки от 77 до 85,1 МПа.

5. Экспериментально определены закономерности развития деформаций бетонов с органоминеральными модификаторами в процессе твердения. В результате исследований установлено, что значение расширения бетонов с органоминеральными модификаторами увеличивается при увеличении водо-

твердого отношения за счет более интенсивных реакций, протекающих при

23

твердении бетона и способствующих образованию эттрингита и расширению цементного камня.

6. Разработаны составы тяжелых бетонов, прочностные и эксплуатационные свойства которых за счет введения органоминеральных модификаторов достигают следующих значений: прочность при сжатии - до 85,1 МПа, прочность на растяжение при изгибе - до 7,9 МПа, призменная прочность -до 61,4 МПа, водонепроницаемость - до марки ¥/16.

7. Теоретически обосновано и практически подтверждено повышение деформативных свойств высокопрочных бетонов, при введении разработанных органоминеральных модификаторов. Получены высокопрочные с добавкой органоминеральных модификаторов, модуль упругости которых на 9...13% превышает нормативные значения для обычного тяжелого бетона естественного твердения.

8. Разработан технологический регламент по производству бетонных и арматурных работ, в котором предусмотрено использование бетонных смесей с компенсированной усадкой. Осуществлено опытно-промышленное внедрение разработанных модификаторов для бетонов при строительстве «Дворца водных видов спорта» в г. Казань, в результате которого достигнуто: упрощение технологии укладки смеси, обеспечение требуемой прочности бетона в конструкции. Общий экономический эффект от использования разработанного модификатора при возведении «Дворца водных видов спорта» в г. Казань, составил 4,594 млн. рублей.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Нгуен Тхе Винь, Нгуен Динь Чинь, Баженов Ю.М. Разработка органоминеральных модификаторов для получения высокопрочных бетонов с компенсированной усадкой // Вестник МГСУ. № 1 - 2012г. - С. 72-76.

2. Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь, Баженов Ю.М. Высокопрочные бетоны с комплексным применением золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификаторов // Вестник МГСУ. № 1 - 2012г. - С. 77-83.

24

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 Московский государственный строительный университет

Подписано в печать 09.02.2012 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,5 п. л. Тираж 100 Заказ 54

Отпечатано в Типографии МГСУ. 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиналов

61 12-5/3455

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На прабкх рукописи

НГУЕН ТХЕ ВИНЬ

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ С ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМ МОДИФИКАТОРОМ, СОДЕРЖАЩИМ РАСШИРЯЮЩИЙ КОМПОНЕНТ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор

Баженов Ю.М." N

/

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ УСАДКОЙ................................................................................................. 9

1.1 Усадка бетонной смеси и бетона....................................................... 9

1.2 Суперпластификаторы: классификация и механизм

действия..................................................................................................... 13

1.3 Особенности получения высокопрочных бетонов.......................... 16

1.3.1 Развитие технологии высокопрочных бетонов.............. 16

1.3.2 Структурообразование высокопрочных бетонов............... 19

1.3.3 Кинетика твердения и деформативные свойства 21 высокопрочных бетонов...................................................... 22

1.4 Способы получения безусадочных и расширяющихся бетонов... 26

1.4.1 Расширяющиеся цементы..................................................... 26

1.4.2 Расширяющие добавки для бетонов ................................. 29

1.4.3 Факторы, влияющие на расширение бетона..................... 36

1.5 Рабочая гипотеза, цель и задачи исследований............................... 40

2 МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................... 43

2.1 Материалы, использованные в работе............................... 43

2.2 Методики исследований................................................ 48

3 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ОРГАНОМИНЕРАЛБНЫХ

МОДИФИКАТОРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ВЛИЯНИЯ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ......................................... 60

3.1 Обоснование выбора компонентов органоминеральных модификаторов............................................................... 60

3.2 Разработка составов органоминеральных модификаторов...... 64

3.3 Исследование влияния органоминеральных модификаторов на

расширение цементного камня............................................................................................................69

3.4 Исследование влияния органоминеральных модификаторов на

прочностные свойства цементного камня............................................................................................74

3. 5 Выводы..............................................................................................................................................................................................77

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЕТОННЫХ СМЕССЕЙ И БЕТОНОВ С ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ................................................................................79

4.1 Свойства бетонных смесей............................................................................................79

4.2 Кинетика твердения бетонов..........................................................................................................................81

4.3 Исследование деформаций бетонов..................................................................................................84

4.4 Прочностные характеристики бетонов......................................................................................87

4.5. Модуль упругости........................................................................................................................................................89

4.6 Водонепроницаемость..............................................................................................................................................91

4.7 Выводы................................................................................................................................................92

5 ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕТОНОВ С КОМПЛЕКСНЫМ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМ МОДИФИКАТОРОМ............................................................94

5.1 Технология бетонов с комплексным органоминеральным модификатором..................................................................................................................................................................................94

5.2 Опытно-промышленное опробование..........................................................................................99

5.3 Технико-экономическая эффективность..................................................................................102

5.4 Выводы..............................................................................................................................................105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................................................................................................106

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС............................122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. По объемам производства, эксплуатационно-строительным свойствам бетон и железобетон являются основными конструкционными материалами. Только в России в XX веке в строительстве было использовано около 10 миллиардов кубометров бетона и железобетона. Мировой объем производства этой продукции достигает трех миллиардов кубометров в год.

Современные высокопрочные (ВПБ) и высококачественные (ВКБ) бетоны, отвечая задачам технологического прогресса, позволяют существенно снизить материалоемкость и повысить эффективность строительства. Вместе с тем, сегодня предъявляется новый уровень требований к бетонам. Это обусловлено применением их не только в обычных, но и в особых экстремальных условиях, в конструкциях новых архитектурных форм, оболочках, трубах, резервуарах, покрытиях дорог, аэродромов, защитных элементов и т.д., где необходимы повышенная трещиностойкость, прочность на растяжение, высокая ударная вязкость и изностойкость. Усадка цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, может достигать 3 мм на 1 м. Для бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 - 0,5 мм на 1 м и зависит от вида и свойств заполнителя. Так усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше по сравнению с усадкой бетона, изготовленного на основе гравия и щебня.

Железобетон имеет в 2 раза меньшую усадку, чем обычный бетон, но усадка железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет. При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов, твердеющих на воздухе, на 38-45 % от исходной величины. Повышение эксплуатационных свойств бетона достигается в последние годы за счет низких В/Ц отношений, комплексного использования органоминеральных добавок, содержащих в своем составе высокоэффективный суперпластификатор (СП) и тонкоизмельченный минеральный наполнитель. Введение расширяющей добавки в процессе приготовления бетонной смеси регулирует энер-

4

гию расширения вяжущего, что позволяет получать бетоны для сборного и монолитного строительства как с компенсированной усадкой, так и напрягающие с различной энергией самонапряжения, обеспечивая высокое качество изделий.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ МГСУ по программе «Архитектура и Строительство».

Цель и задачи исследования.

Целью работы является получение высокопрочных бетонов с прочностью от 40 МПа до 60 МПа с улучшенными деформативными характеристиками с использованием органоминеральных модификаторов, содержащих расширяющие компоненты.

В соответствии с поставленной целью работы определены следующие

задачи:

1. Изучить влияние вида, степени дисперсности и дозировки наполнителей, как составной части цементной матрицы, на физико-механические свойства, усадку и усадочную трещиностойкость цементного камня и бетона

2. Разработать составы новых органоминеральных модификаторов, бетонов которые будут отличаться улучшенными физико-техническими свойствами за счёт введения расширяющего компонента, эффективностью действия, расширенной сырьевой базой.

3. Исследовать влияние разработанных органоминеральных модификаторов на усадку и прочностные свойства цементного камня.

4. Исследовать влияние органоминеральных модификаторов с расширяющим компонентом на усадку, прочностные и деформативные характеристики разработанных бетонов.

5. Осуществить внедрение разработанных модифицированных тяжёлых бетонов с оценкой их технико-экономической эффективности.

Научная новизна работы. Научная новизна работы определяется решением проблемы снижения усадки и повышения усадочной трещино-стойкости высокопрочных бетонов с использованием ультрадисперсных минеральных наполнителей низкой водопотребности на основе сульфоалюми-ната кальция, который в результате реакции с водой образует эттрингит и расширяются. Полагают, что образование эттрингита не происходит в жидкой фазе цемента. Соединение С4А38 и оксид кальция реагируют с образованием твердого раствора, состоящего из пластинчатых кристаллов гексагонального типа моносульфата и гидрата алюмината кальция типа С4АН13. При последующей реакции моносульфата с гипсом образуются игольчатые кристаллы эттрингита. Очевидно, что моносульфат не содействует расширению, в то время как образование эттрингита обеспечивает расширение.

Расширение наряду с увеличением прочности вызывает сжимающие усилия в бетоне, уменьшающие растягивающие напряжения, связанные с усадкой от высыхания. Поэтому как трещинообразование, так и усадка при высыхании уменьшаются.

Практическая значимость работы:

Варьирование количеством расширяющей композиции в составе минеральной части модификатора позволил управлять деформациями расширения-усадки и получать бетоны из высокоподвижных смесей с улучшенными деформационными свойствами - повышенным модулем упругости и пониженной ползучестью, с компенсированной усадкой или расширением.

Используя комплексные органоминеральные модификаторы можно получать высокопрочные (в том числе мелкозернистые) бетоны, обладающие высокими деформационными характеристиками, пониженным трещинообра-зованием и высокими эксплуатационными и технологическими свойствами. Применение данных видов бетонов позволит существенно снизить трудозатраты и стоимость работ при строительстве массивных бетонных объектов и сооружений, а также повысить их качество и долговечность.

Внедрение результатов исследований:

Разработана технологическая схема и рекомендации по производству изделий из бетонных смесей с комплексным модификатором и сделан расчет технико-экономической эффективности в сравнении с аналогичным производством изделий из обычных смесей. Разработаны технические условия на модификатор бетона серии ЭМБЭЛИТ, позволяющий получать бетоны с компенсированной усадкой.

Результаты исследований внедрены при строительстве «Дворца водных видов спорта» в г. Казань. В результате использования разработанного модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. экономический эффект составил 4,594 млн. рублей, при этом значительно упростилась технология укладки смеси, ее технологические свойства, была обеспечена термическая трещиностой-кость конструкции и достигнута высокая прочность бетона в конструкции (в возрасте 32 суток прочность бетона в конструкции составляла 46,6...70,6 МПа, что выше значения требуемого регламентом Ктр=46 0 МПа).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на кафедре Строительных материалов МГСУ.

На защиту выносится:

- составы разработанных комплексных модификаторов для бетонов, позволяющие получать высокопрочные бетоны с компенсированной усадкой;

- составы высокопрочных бетонов содержащих комплексный модификатор, позволяющий компенсировать их усадку и повышать дефформа-тивные свойства;

- установленные зависимости влияния разработанных модификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов;

- прочностные и дефформативные свойства высокопрочных бетонов с комплексным модификатором;

- технологическая схема и рекомендации по производству изделий из высокопрочных бетонов с комплексным модификатором.

7

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 150 наименований, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит рисунков 20, таблиц 31 и 2 приложения.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ УСАДКОЙ

1.1 Усадка бетонной смеси и бетона

В процессе приготовления, твердения, эксплуатации в бетоне происходят объемные изменения, возникают деформации материала. Величина их зависит от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и ряда других факторов. Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкций, так как они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений. Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды: собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона (усадка и расширение), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от кратковременного и длительного действия механических нагрузок - ползучесть бетона; температурные деформации бетона [7].

После укладки бетонной смеси может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее уплотнение. Этот процесс проявляется в пластичных и литых смесях. При этом на поверхности смеси может выделяться вода, изменяться объем смеси. При значительной высоте изделия осадку можно наблюдать невооруженным глазом, так как деформации бетона весьма значительны и превосходят величину обычной усадки затвердевшего бетона в десятки раз [7].

На рисунке 1.1 показан характер развития первоначальной усадки. Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30... 90 мин. Если применяются литые смеси, то в первоначальный период на поверхности бетона может выделяться слой воды. Водоотделение достигает максимума через 10...20 мин, а затем начинается постепенное всасывание воды внутри бетона вследствие интенсивного протекания процесса контракции цементного теста.

-Аспу,%

1- литая смесь, 2-подвижная смесь Рисунок 1.1 Зависимость первоначальной усадки от времени, прошедшего с момента укладки бетонной смеси.

Величина первоначальной усадки зависит от состава бетонной смеси и свойств использованных материалов. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси. Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержа-ния бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду (трепел, диатомит и др.), при высоком содержании крупного заполнителя, обеспечивающем создание жесткого скелета в бетонной смеси [1].

В таблице 1.1 приведены некоторые значения полной первоначальной усадки обычной бетонной смеси на гранитном заполнителе, полученные при испытаниях в специальных пластмассовых формах - цилиндрах высотой 300 мм и диаметром 100 мм.

Вид вяжущего Расход цемента. Первоначальная усадка, %, при расходе воды, кг/м3

кг/м3 150 180 210

Портландцемент 310 0,15 0,82 1,64

500 -- 0,21 0,36

Портландцемент с добавкой 20% трепела 310 0,01 0,11 0,42

арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки.

Создание жесткого скелета в бетонной смеси с большим расходом воды, уменьшая внешнюю первоначальную усадку, не может препятствовать протеканию седиментационных процессов между зернами крупного заполнителя. Поэтому в бетоне увеличится доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качества бетонной смеси [17].

При воздействии на бетонную смесь давления, которое часто применяется при формовании железобетонных изделий, проявляется упругое последействие бетонной смеси. Это приводит к тому, что после снятия нагрузки материал несколько расширяется. Сжимаемость бетонной смеси зависит от ее состава и применяемых материалов. Особо большое влияние на величину сжимаемости оказывает вовлеченный воздух: чем больше воздуха, тем сильнее сжимаемость. Если при применении давления воздух и вода могут удаляться из смеси, то упругое последействие будет слабым. Если же воздух сохраняется в бетонной смеси, то величина деформаций упругого последействия будет весьма значительной. Деформации первоначальной усадки и упругого последействия необходимо учитывать при формовании бетонных и железобетонных изделий, так как они влияют на окончательные размеры изделия и качество его открытых поверхностей [7,55].

11

Процесс твердения бетона сопровождается изменениями его объема. Наиболее значительным является уменьшение объема при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, получившее название усадки бетона. При твердении в воде или во влажных условиях уменьшение объема бетона может не происходить, а в ряде случаев наблюдается даже его незначительное расширение [58].

Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенн�