Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ^ 14
Г. 1 Классификация быстротвердеющих бетонов по технологическим
признакам 14
Основные недостатки тепловлажностной обработки и обоснование целесообразности внедрения беспропарочной;технологии изготовления сборного бетона и железобетона —21
Теоретические предпосылки полученияшысокой ранней прочности^ цементных, систем :-..... ;... . 25
Современные представления о роли добавок в обеспечениивысо-кой ранней прочности;цементных систем ..38
Анализ критериев выбора^цементовщля^^ беспропарочной технологии производства ібетонаи^железобетона 50і
1;6?Факторьц определяющие долговечность подрельсовых /
железобетонных конструкций;'.'; .............;........ ..;...... 57 '
1.7 Заключение и постановка задач; 641
Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСКОРИТЕЛИ
ТВЕРДЕНИЯ И ПЛАСТИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОДОЛЖИТЕЛБ-
НОСТБ ИНДУКЦИОННОГО ПЕРИОДА ТВЕРДЕНИЯ!
ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ 69
2'Л Методы исследования реологических свойств цементных систем ..69
Влияние ускорителей твердения на продолжительность индукционного периода и кинетику нарастания: пластической прочности 74
Влияниесуперпластификаторов нареологические свойства и продолжительностьиндукционного периода твердения цемента .... 84
Влияние эфиров поликарбоксилатов:на реологические свойства и продолжительность индукционного периодатвердения цемента ... 101
2.5 Критерии и методы оценки ложного схватывания цементов в
присутствии добавок ПАВ 111
2.6 Выводы по главе 2 121
Глава 3 СИСТЕМА КРИТЕРИАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЫБОРА
ЦЕМЕНТОВ И ДОБАВОК ДЛЯ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ
БЕТОНОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО БЕСПРОПАРОЧНОЙ
ТЕХНОЛОГИИ 123
Критерии выбора портландцементов по его реологическим свойствам с учетом блокирующего действия пластифицирующих добавок 123
Критерии выбора цементов и добавок ПАВ^для быстротвердею-щих бетонов по показателям прочности цементного камня 129
Теоретические основы прогнозирования влияния водоцементного отношения на величину ранней прочности пластифицированного цементного камня 145
Сравнительная! оценка влияния,отечественных и зарубежных суперпластификаторов на реологические свойства и кинетику набора ранней прочности цементных систем' 156
Проектирование новых комплексных добавок пластифицирующе-ускоряющего действия и оценка их эффективности 163
3.6 Оценкавлияниякомплексных органоминеральных добавок на
раннюю прочность цементного камня 173
3.7 Выводы по главе 3 177
Глава 4 ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ПАВ НА ПАРАМЕТРЫ СТРУКТУРЫ
ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫСОКУЮ
ПРОЧНОСТЬ В РАННЕМ ВОЗРАСТЕ 179
Методы определения основных параметров структуры, характеризующих прочность цементного камня в раннем возрасте 179
Исследование влияния химических добавок-на структуру цементного камня в раннем возрасте методами дифференциально-
4
термического и рентгенофазового анализа 181
4.3 Влияние химических добавок на распределение пор цементного
камня по размерам в раннем возрасте 196
4.4 Выводы по главе 4 203
Глава 5 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮШИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 204
Анализ методов производства предварительно напряженных железобетонных шпал в России и за рубежом 204
Методологические основы внедрения малопрогревных и беспрогревных технологий при производстве подрельсовых конструкций 212
5.3*Малопрогревная технология производства сборных железо
бетонных подрельсовых конструкций 224
Беспрогревная технология производства сборных железобетонных подрельсовых конструкций 241
Экономическая эффективность внедрения ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте 246
5.6 Выводы по главе 5 250
Глава 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗО
БЕТОННЫХ ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ,
ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО БЕСПРОПАРОЧНОЙ
ТЕХНОЛОГИИ 252
Методы оценки долговечности железобетонных подрельсовых конструкций 252
Оценка морозостойкости бетонов с модифицирующими добавками, изготовленных по беспропарочной технологии 254
Водонепроницаемость, плотность и прочность подрельсовых конструкций, изготовленных по беспропарочной технологии! 269
6.4 Трещиностойкость шпал, изготовленных по беспропарочной
5
технологии, при статических нагрузках 273
6.5 Выносливость шпал, изготовленных по беспропарочной
технологии, при пульсирующих динамических нагрузках 281
6.6 Выводы по главе 6 288
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 291
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 296
Приложение 1 329
Приложение 2 331
Приложение 3 333
Приложение 4 336
Приложение 5 339
';'' б '
Введение к работе
Актуальность работы. Бетон на ближайшую перспективу останется одним из основных строительных материалов, мировой объем производства которого в настоящее время достиг двух миллиардов кубометров в год. Существенную долю от общего объема составляет производство сборного бетона и железобетона, около 85% которого выпускается с применением технологии пропаривания.
Выбор технологии производства сборного бетона, с применением тепловлажностной обработкой был совершенно обоснован, так как являлся единственно возможным способом обеспечить быстрый набор бетоном; передаточной прочности и высокую оборачиваемость форм и, следовательно, производительность заводов. Вместе с тем, названная технология имеет ряд недостатков, связанных с ухудшением структуры цементного камня; высоким расходом вяжущего и энергоресурсов. За последние пятьдесят лет технология 'производства сборных бетонных и железобетонных конструкций. не изменилась, что на фоне; быстро развивающихся? научных достижений в области направленного формирования структуры и свойств.бетонов является препятствием как в повышении долговечности и качества изделий, так и в снижении энергоемкости и себестоимости производства.
Достижение высокой ранней прочности бетона при нормально-влажностном твердении на рядовых портландцементах стало возможным с появлением эффективных суперпластификаторов, позволяющих значительно уменьшать водоцементное отношение и величину капиллярной пористости цементного камня. Препятствиями к получению быстротвердеющих бетонов являются блокирующее действие суперпластификаторов на ранней стадии гидратации, механизм которого до конца не изучен; и проявление ложного схватывания цементных систем с пластифицирующими*добавками;
Внедрение беспропарочной технологии производства * сборного бетона и железобетона требует решения вопросов, связанных с разработкой критериев
7 оценки блокирующего и ускоряющего эффектов суперпластификаторов, совместимости вяжущих с химическими добавками, изучением влияния пластификаторов и комплексных добавок на их основе на структуру цементного камня в раннем возрасте и созданием на этой базе методологических основ получения быстротвердеющих бетонов нормально-влажностного твердения.
Диссертационная работа выполнена в рамках Целевой комплексной программы по строительству Госстроя СССР (тема 0.55.04, 1986-1987 гг.), научно исследовательских тем «Влияние физико-химических свойств поверхности микронаполнителя на формирование поровой структуры цементных бетонов»- (Гос. регистр. № 01200407125, 2003), «Разработка беспропарочной технологии и технологии с пониженной температурой изотермической выдержки' при изготовлении железобетонных шпал» (Гос. регистрация № 07302072, 2007), «Исследование модифицирования структуры и свойств цементных бетонов комплексными добавками серии УП» (Гос. регистрация №' 01200704809; 2007), «Исследование влияния вида портландцемента на совместимость с добавками ПАВ-и свойства цементных бетонов» (Гос. регистрация № , 2008).
Научная- новизна. Разработана концепция направленного формирования морфологических изменений в новообразованиях цементного камня и дифференциальном распределении пор по размерам под действием химических добавок, обеспечивающих высокую раннюю прочность цементных систем при нормально-влажностных условиях тверденияі
Впервые предложена классификация быстротвердеющих бетонов по технологическим признакам, которая позволяет установить количественные критерии оценки быстротвердеющих бетонов в зависимости от способа производства. Разработаны методологические принципы для* внедрения малопрогревной и беспропарочной технологии производства сборных бетонных и железобетонных конструкций.
Разработана система критериев выбора портландцементов и химических добавок для быстротвердеющих бетонов, учитывающих воздействие на структуру формирующегося цементного камня блокирующего и ускоряющего действия суперпластификаторов на стадиях индукционного периода твердения- и ускоренного набора прочности цементных систем. Получена аналитическая зависимость, впервые устанавливающая связь структурных параметров цементного камня с изменением прочности пластифицированных цементных систем в раннем возрасте. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена зависимость степенного показателя функции Ю.М. Бальшина от продолжительности твердения цементного-камня,.показана возможность применения степенного показателя^ в качестве критерия при сравнении пластифицированных цементных систем.
Впервые- исследовано влияние добавок на основе
сульфонафталинформальдегидов и эфиров поликарбоксилатов, на
модификацию, структуры цементного камня в раннем возрасте. Высказана
гипотеза о морфологических изменениях в структуре новообразований и
распределении гелевых пор по размерам под действием химических добавок,
на начальной стадии твердения. :
Предложена гипотеза о синергетическом эффекте* воздействия сульфонафталинформальдегидов и лигносульфонатов на величину ложного схватывания вследствие адсорбции компонентов на одноименных продуктах гидратации цемента. Впервые в строительной практике разработан количественный метод оценки ложного схватывания, основанный на определении дифференциала кинетики набора пластической прочности цементного теста, не зависящий от начальной пластичности цементных систем. На основе предложенного метода оценки величины ложного схватывания проанализирована эффективность существующих способов его предупреждения в цементных системах с добавками- ПАВ. Исходя из механизма ложного схватывания цементных систем с пластифицирующими добавками, предложен новый метод его предупреждения, основанный на
"I
изменении процессов гидратации на ранней стадии твердения за счет введения специальных компонентов. Разработаны составы комплексных добавок, обладающих пластифицирующе-ускоряющим действием при пониженном проявлении эффекта ложного схватывания.
С учетом распределения анионову по активности воздействия на ускорение гидратации алитовой фазы, а также технологических свойств добавок, определены предпочтительные виды ускорителей твердения для применения в составе комплексных добавок на основе суперпластификаторов.
Установлена- взаимосвязь между параметрами системы условно замкнутых пор бетона и вибровязкостью его растворной составляющей, которая позволяет осуществлять выбор вида и дозировки добавок ПАВ и прогнозировать морозостойкость бетона на стадии изготовления" бетонной смеси.
Практическая значимость. В диссертации изложеньг научно обоснованные технические, экономические' и технологические решения проблемы получения бетона и железобетона, изготовляемых по беспропарочной и малопрогревной технологии, внедрение которых вносит вклад в развитие экономики страны.
Разработана методика определения блокирующего действия добавок
ПАВ и их ускоряющего действия за счет водоредуцирующего эффекта на
кинетику набора прочности* в индукционный период и период ускоренного
твердения цементных систем. Установлено, что при рекомендуемых
дозировках суперпластификатора, значения предложенных критериев
меняются в незначительных пределах и зависят от минералогического и
химического составов портландцемента и молекулярного состава
пластифицирующих добавок,
і Разработаны составы комплексных добавок на основе
сульфонафталинформальдегидов и эфиров поликарбоксилатов,
обеспечивающие на отечественных портландцементах достижение
10 прочности цементного камня до 50 МПа в возрасте 12 часов при нормально-влажностных условиях твердения.
Проанализированы способы производства железобетонных шпал в России и за рубежом, установлены существенные различия в требованиях к, материалам и составам бетонов. Для адаптации европейского оборудования и технических регламентов к российским условиям разработаны научно обоснованные нормативные требования к прочностным показателям бетона, учитывающие снижение температуры изотермической выдержки и, как следствие, последующий рост прочности бетона.
Для заводских лабораторий ЖБШ разработан упрощенный метод оценки совместимости портландцемента с добавками ПАВ, моделирующий режим тепловыделения цемента и учитывающий показатели прочности бетона в раннем возрасте. На основании предложенных методологических принципов, и разработанных нормативных требований на- Челябинском заводе ЖБШ внедрена малопрогревная технология производства подрельсовых конструкций.
Впервые в России на Чудовском и Хабаровском' заводах ЖБШ' осуществлено опытно-производственное внедрение беспропарочной технологии производства железобетонных шпал, соответствующих требованиям нормативных документов при одновременной экономии портландцемента и энергоресурсов. Разработана технологическая документация на производство подрельсовых конструкций по беспропарочной технологии.
Моделирование условий замораживания железобетонных шпал позволило установить, что для предотвращения деструктивных процессов в объеме бетона в случае снижения дренирующих свойств балластной призмы необходимо увеличить стойкость бетона к попеременному замораживанию и оттаиванию. Показано, что применение комплексных ускоряюще-пластифицирующих добавок при беспропарочной технологии* приводит к улучшению структуры цементного камня, снижению интегральной
пористости на 45% и повышению морозостойкости до F300, что уменьшает деструктивные процессы в объеме бетона даже при исчерпании балластной призмой ее дренирующей способности.
Разработан метод прогнозирования параметров системы условно замкнутых пор и морозостойкости бетона, а также выбора вида и дозировки добавок ПАВ на стадии изготовления бетонной смеси по показателям вязкости ее растворной составляющей.
Разработан метод оценки трещиностойкости железобетонных шпал, основанный на измерении скорости прохождения ультразвука в растянутом сечении, который, в отличие от существующего, позволяет оценить .кинетику микротрещинообразования. Экспериментальными исследованиями доказано повышение трещиностойкости при статическом нагружении железобетонных шпал, изготовленных по беспропарочнош технологии; до 20% через год хранения' в. натурных условиях. Условныш предел выносливости при пульсирующих динамических нагрузках в среднем сечении увеличивается', более чем на150%.
Определены основные- факторы, экономической эффективности внедрения беспропарочной и» малопрогревной технологии производства железобетонных шпал. Расчетный экономический эффект от внедрения беспропарочных и малопрогревных технологий, даже без учета ряда статей расходов, для заводов ЖБШ производительностью один миллион подрельсовых конструкций составляет от 22 до 67 миллионов рублей в год.
Основные положения, выносимые на защиту:
- закономерности влияния пластифицирующих и ускоряющих добавок
на начальную стадию гидратации портландцемента и формирование высокой
ранней прочности цементного камня и бетона;
- критерии выбора портландцемента и* химических добавок для
быстротвердеющих бетонов, учитывающие воздействие на структуру
формирующегося цементного камня блокирующего и ускоряющего действия
12 суперпластификаторов на стадиях индукционного периода твердения и ускоренного набора прочности цементных систем;
- новые данные и аналитические зависимости влияния добавок на основе сульфонафталинформальдегидов и эфиров поликарбоксилатов на модификацию структуры цементного камня на отечественных цементах в раннем возрасте;
оптимальные рецептуры бетонных смесей с использованием химических добавок и комплекс механических и эксплуатационных свойств быстротвердеющих бетонов, изготовленных по беспропарочной и малопрогревной технологии.
Апробация' работы. Основные положения диссертационной работы
представлялись и докладывались на Республиканской конференции
«Качество и надежность строительных материалов и конструкций в
сейсмическом строительстве» (Тбилиси, 1988 г.), 3-й Республиканской,
конференции молодых ученых и специалистов: «Повышение эффективности1
в строительстве и промышленности строительных материалов» (Рига, 1988
г), Всероссийской конференции «Молодежь.и научно-технический прогресс»
(Владивосток, 1998 г.), Всероссийской научно-практической конференции
«Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (Чита, 2000 г.), научно-
практической конференции «Новые технологии железнодорожному
транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса,
эксплуатация технических средств» (Омск, 2000 г.), Всероссийской научно-
практической конференции «Повышение эффективности работы
железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» (Хабаровск-
Владивосток, 2001 г.), II и IY Международной научной конференции
творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое
сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2001 и 2005 гг.),
Международной научно-практической интернет-конференции
«Ресурсосберегающие технологии в транспортномі строительстве Hv путевом хозяйстве железных дорог» (Санкт-Петербург, 2005 г.), Всероссийской
13 научно-практической конференции «Транспорт-2006» (Ростов-на-Дону, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Строительное материаловедение - теория и практика» (Москва, 2006 г.), XIII Международном семинаре Азиатско-Тихоокеанской . академии материалов «Строительные и отделочные материалы» (Новосибирск, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2006 г.), International Conference on Building materials (16. ibausil, Weimar, 2006 г.), 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической< науки «Инновационные технологии — транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2007 г.), VII Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (Санкт-Петербург, 2008 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научные работы, 11 из них - в научных журналах по перечню ВАК (в том числе, 7 - по направлению «Строительство и архитектура»). Новизна технических решений подтверждена патентом РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы и 5 приложений. Содержит 328 страниц машинописного текста, в том числе 97 рисунков и 69 таблиц. Библиография включает 342 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Т.М. Петровой за оказанную помощь при работе над диссертацией.
