Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1. Анализ и перспективы монолитного бетонирования 11
1.2. Особенности использования бетона для строительства в климатических условиях Камбоджи 15
1.3. Специфика минеральных ресурсов Индокитая и Камбоджи 19
1.4. Стройиндустрия Камбоджи 25
1.5. Характеристика материалов для монолитного строительства из фибробетона 28
1.6. Выводы 32
2. Методы исследования и применяемые материалы 34
2.1. Методы исследований 34
2.1.1. Исследование микроструктуры с помощью растрового электронного микроскопа 34
2.1.2. Рентгенофазовый анализ 35
2.1.3. Изучение характеристик бетонных смесей 39
2.1.4. Изучение физико-механических характеристик цементного камня 41
2.2. Применяемые материалы 44
2.3 Выводы 51
3. Композиционные вяжущие на основе сырьевых ресурсов камбоджи
3.1. Энергоэффективность компонентов композиционных вяжущих 53
3.2. Свойства композиционного вяжущего в зависимости от состава 56
3.3. Влияние наноструктурированного модификатора на свойства вяжущего... 58
3.4. Свойства вяжущего в зависимости от тонкости и способа помола наноструктурированного модификатора 61
3.5. Влияние содержания наноструктурированного модификатора на водопотребность и сроки схватывания вяжущего 63
3.6. Особенности структуры композиционного вяжущего с НМ 65
3.7. Повышение эффективности композиционного вяжущего 71
3.8. Выводы 79
4. Оптимизация состава фибробетона для монолитного строительства в камбодже 81
4.1. Свойства заполнителей Камбоджи 82
4.2. Свойства мелкозернистого бетона в зависимости от состава 89
4.3. Характеристики фибры на ранке Индокитая 93
4.4. Мелкозернистый фибробетон на сырьевых ресурсах Камбоджи 100
4.5. Повышение эффективности фибробетона на композиционном вяжущем .111
4.6. Влияние НМ на структуру бетона 114
4.7. Выводы 127
5. Внедрение и технико-экономическое обоснование результатов работы 129
5.1. Разработка нормативно-технической документации для внедрения полученных результатов 129
5.2. Применение результатов работы в условиях Камбоджи 131
5.3. Специфика монолитного строительства с использованием фибробетона.. 133
5.4. Технико-экономическое обоснование проекта 134
5.5. Выводы 138
Заключение 140
Библиографический список
- Специфика минеральных ресурсов Индокитая и Камбоджи
- Изучение характеристик бетонных смесей
- Влияние содержания наноструктурированного модификатора на водопотребность и сроки схватывания вяжущего
- Повышение эффективности фибробетона на композиционном вяжущем
Введение к работе
Актуальность работы. Индокитай является одним из регионов с большим потенциалом стройиндустрии. Учитывая специфические климатические и геологические условия, особенности сырьевой базы и геоморфологию территории, производство материалов и строительство в государствах этого региона имеет свои особенности. В Камбодже в настоящее время существенно возросли объемы строительства, значительное количество зданий и сооружений нуждается в ремонте и восстановлении. Важной задачей является управление процессами структурообразования бетона в условиях жаркого климата. Быстрое испарение влаги из бетонной смеси может привести к пластической усадке и трещинообразованию.
Поэтому, разработка эффективных составов фибробетонов на композиционных вяжущих, управление процессом структурообразования, гранулометрией заполнителей и синтезом новообразований позволит решить накопившиеся проблемы в современном строительстве Камбоджи.
Важное значение имеет применение нанострутурированных модифицирующих добавок, местного сырья, что приводит к значительному повышению реологических характеристик формовочной смеси и строительно-технических свойств полученного фибробетона, существенно увеличивает сроки службы конструкций и их долговечность.
Диссертационная работа выполнена в рамках: ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, внутревузовских грантов «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012-2014 г.г. и «Фибробетон с использованием нанострутурированного модификатора для каркасно-монолитного строительства» Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г.
Степень разработанности. Одним из способов повышения эксплуатационных свойств фибробетона является оптимизация его структуры и разработка методов управления структурообразования при твердении. В работах выполненных ранее, недостаточно уделено внимание работе над созданием высокоэффективных добавок-модификаторов, которые на микро- и нано уровне способны создать высокую степень упорядоченности элементов структуры композиционного материала. Мало внимания также уделялось влиянию на адгезионные процессы цементного камня с фиброволокном в бетонах на композиционных материалах с применением местных материалов государства Камбоджи.
Цель работы: повышение эффективности мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства на основе сырья Камбоджи.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ сырьевых ресурсов Камбоджи, их вещественного состава и строения;
разработка составов композиционного вяжущего и мелкозенистого фибробетона на его основе;
исследование и оптимизация структуры и свойств мелкозернистого фибробетона;
- подготовка научно-технической документации для реализации
теоретических и экспериментальных исследований, внедрение результатов
исследований.
Научная новизна работы. Установлен характер процессов
структурообразования композиционного вяжущего, полученного путем
введения в портландцемент суперпластификатора и
нанострутурированного модификатора (НМ) (состоящего из равных частей домолотого до Sra = 600 м2/кг базальта, мела, полиминеральной глинистой породы), заключающийся в избирательном воздействии этих компонентов на процессы синтеза новообразований. Особенности состава и строения глинистой породы позволяют повысить реологию бетонной смеси; снизить водовяжущее отношение, при синтезе новообразований; «отдавать» законсервированную часть жидкости при трещинообразовании, стимулируя «залечивание» микротрещин при эксплуатации бетона. Нано- и микродисперсные зерна базальта служат затравками при кристаллизации гидросиликатов кальция и, наряду с рентгеноаморфным глинистым веществом, связывают Са(ОН)2, выделяющийся при гидратации алита. Мел способствует образованию гидрокарбоалюминатов кальция.
Введение в состав суперпластификатора «Полипласт СП-1» в присутствии НМ существенно повышает водоудерживающую способность формовочной смеси и снижает ее расслаиваемость. При равной подвижности, смесь композиционного вяжущего с добавкой суперпластификатора отличается большей вязкостью, значительно меньшей расслаиваемостью и большей пластичностью по сравнению с традиционными бетонными смесями. Изготовление мелкозернистого бетона на таком вяжущем позволяет сократить время, энерго- и материальные затраты на производство, получить бетоны с высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью.
Предложен способ оптимизации структуры мелкозернистых бетонов:
- за счет использования композиционного вяжущего с
нанострутурированным модификатором на наноуровне;
- создания высокоплотной упаковки заполнителя из базальта на
микроуровне;
- введения стальной и полипропиленовой фибры на макроуровне, что
приводит к образованию более однородной структуры с минимальным
количеством пор и микротрещин. Это позволило разработать широкую
номенклатуру мелкозернистых фибробетонов для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 97,5 МПа, морозостойкостью F 300 и высокими деформативными характеристиками.
Выявлен характер зависимости эксплуатационных характеристик мелкозернистого фибробетона - предела прочности, при сжатии и изгибе, истираемости и деформативных показателей, от содержания нанострутурированного модификатора, свойств и количества суперпластификатора и фибры.
Достоверность результатов работы обеспечена системой проведенных исследований с применением стандартного оборудования и методов измерения, использованием современных методов физико-химического анализа, электронной микроскопии, большим объемом экспериментальных.
Практическая значимость работы. Предложены состав и технология производства нанострутурированного модификатора для производства композиционного вяжущего на основе горных пород Камбоджи.
Разработаны составы композиционных вяжущих на основе портландцемента, пластифицирующей добавки и нанострутурированного модификатора. Введение в состав композиционного вяжущего базальта, глинистой породы и мела позволяет не только управлять процессами структурообразования бетона, но и существенно расширить сырьевую базу Камбоджи.
Предложены составы мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства с использованием композиционного вяжущего, базальта стальной и полипропиленовой фибры.
Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволят повысить надежность, долговечность и экономичность зданий и сооружений в условиях строительства в Камбодже.
Методология и методы исследования.
Методологические аспекты исследования композиционного вяжущего и фибробетона составляют структурную систему организации и проведения экспериментальных методов и методик, позволяющих целенаправленно осуществлять изучение определенной проблемы, показывающую связь объектов «человек - материал - окружающая среда» и обеспечивающую получение достоверных результатов.
Микроструктурные исследования и количественный анализ новообразований образцов проводились с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий сканирующий электронный микроскоп TESCAN MIRA 3 LMU, включающий энергодисперсионный спектрометр (ЭДС), совмещенный с персональным компьютером.
Качественный и количественный анализ структуры опытных образцов проводился на аналитическом рентгеновском дифрактометре ARL9900 Intellipower Workstation и ARLXTRA по методу порошков.
Изучение влияния суперпластификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов осуществляли комплексными методами исследований, регламентируемых государственными стандартами. Исследование подвижности цементных суспензий в присутствии суперпластификаторов производили с помощью мини-конуса в соответствии с методикой, разработанной НИИЖБ.
Внедрение результатов исследований. Разработаны технологический регламент и технические условия на производство мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства на сырьевых материалах Камбоджы.
На основании разработанной нормативно-технической документации осуществлено строительство каркасно-монолитного жилого дома в г. Пномпень - столице Камбоджи.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению по направлению 270800.62 «Строительство», по магистерским программам «Технология производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансферт технологии» направление 270800.68 «Строительство».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011,2012 г.г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых (Белгород, 2013, 2014 г.г.); Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (2015 г.).
Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы изложены в 7 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в центральных рецензируемых изданиях.
Зарегистрировано НОУ-ХАУ № 20150004.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 204 наименования и приложения. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 37 таблиц, 50 рисунков и фотографий.
Специфика минеральных ресурсов Индокитая и Камбоджи
В производстве фибробетона дисперсное армирование является одним из эффективных приемов, используемых в производстве строительных материалов, значительно повышающих прочность изделия при сжатии и изгибе, замедляющих трещинообразование в композите на стадии формирования структуры. В условиях влажного и теплого климата важной задачей становиться оптимизация структуры фибробетона и управление процессами структурообразования. Интенсивное испарение влаги при твердении бетона приводит к быстрой усадке и значительным пластической деформации с образованием трещин.
Применяемые способы обеспечения набора прочности бетоном в условиях влажного и теплого климата являются неэффективными с точки зрения технико 16 экономических показателей. Как показала практика, для обеспечения надежных показателей эксплуатации в этих условиях необходима оптимизация структуры мелкозернистого бетона на нано- и микроуровне за счет использования в составе композиционного вяжущего энергетически активного сырья [52-54].
Условия эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций в регионе Индокитая довольно сложны. Это связано с засушливыми климатическими условиями, сложным рельефом региона, его географическим месторасположением, что порождает частые стихийные бедствия, такие как землетрясения, цунами, наводнение, опустынивание.
В настоящее время в связи с развитием строительства в регионе появилась потребность в новых строительных материалах и бетонах, обладающих высокими физико-механическими характеристиками. Для получения таких бетонов в строительных условиях Камбоджи целесообразно использовать бетон, армированный стальной или полипропиленовой фиброй местного производства. Для создания таких материалов представляет интерес опыт использования композиционных вяжущих и фибробетонов на их основе
К материалам для получения высокопрочных бетонов предъявляются довольно жесткие требования, особенно это касается вяжущего компонента. В качестве последнего при получении высокомарочных бетонов могут служить композиционные вяжущие. Их получают добавлением к главному вяжущему компоненту специальных веществ, в определенных соотношениях повышающих активность, улучшающих реологические свойства цементного теста, значительно увеличивающих прочностные показатели и другие свойства вяжущего и бетона на его основе. Важным показателем является снижение водопотребности композиционного вяжущего. Приготовленное на го основе цементное тесто с пониженной нормальной густотой дает возможность получить плотнейшую структуру бетона при повышенной прочности. Снижение нормальной густоты цементного теста достигается введением в его состав пластифицирующих добавкок. В качестве примера композиционного вяжущего на основе цемента и пластифицирующей добавки можно привести вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), представляющего собой продукт тонкого помола цементного клинкера совместно с добавками гипса, сухого пластификатора и активной минеральной добавки. В результате взаимодействия добавленных компонентов с минералов цементного клинкера в процессе механомического воздействия и измельчения материал приобретает, специфические свойства, отличающие его от обычного портландцемента [55,56].
Климатические условия Камбоджи являются наиболее приемлемыми для эффективного применения фибробетона в качестве строительного материала с экономической, конструктивной и экологической точек зрения. При этом следует отметить, что в странах Индокитая отсутствует единая нормативная база для проектирования и строительства зданий и сооружений. В соответствии с этим необходимо создать единый нормативный документ, учитывающий природно-климатические условия Камбоджи [70].
Надежность конструкций и сооружений зависит от многих факторов: применяемых материалов, формы элементов конструкций, качества изготовления и монтажа, условий эксплуатации и своевременного ремонта. Для строительства в Камбодже важно обеспечить экологическую безопасность зданий и сооружений, которая в первую очередь зависит от чистоты и качества применяемых строительных материалов. Для достижения максимального экологического эффекта необходимы многочисленные исследования, направленные на выпуск экологически чистых строительных материалов и внедрение новых технологий в строительную индустрию.
По данным международной организации «зеленых зданий» (USGBSO), для возведения экологически чистых зданий необходимо соблюдение следующих условий: - максимальное использование вторичного сырья при производстве строительных материалов для возведения зданий. Замена природного сырья отходами различных отраслей народного хозяйства позволяет сохранить запасы полезных ископаемых Земли; - применение экологически безопасного, не содержащего вредных веществ для здоровья человека сырья в производстве строительных материалов; - замена в строительном комплексе дефицитных полезных ископаемых на их аналоги, имеющие широкое распространение. Это позволит достичь максимальной экономии полезных ископаемых, достаточно редко встречающихся на территории региона; - достижение минимальных энергозатрат на производство строительных материалов для возведения зданий, их строительство и обслуживание.
При бетонировании в условиях теплого климата возникает множество различных проблем, связанных как с высокой температурой бетона, так и с усиленным испарением воды из свежеуложенной смеси. Эти проблемы требуют соблюдения определенных условий при перемешивании смеси и ее укладке. Быстрое увеличение температуры свежеприготовленной бетонной смеси ведет к резкому нарастанию процессов гидратации, к ускорению сроков схватывания и, в конечном итоге, уменьшению прочности затвердевшего камня. К тому же, интенсивное испарение воды с поверхности бетонного изделия может привести к значительной усадке и образованию микротрещин, а охлаждение - к росту внутренних растягивающих напряжений [61-67].
Имеются определенные трудности и в процессе приготовления бетона при повышенных температурах окружающей среды, к примеру, затруднение вовлечения воздуха в бетонную смесь. Эта проблема решается увеличением дозировок воздухововлекающих добавок. Процесс ухода за бетоном также требует особого подхода, так как вода, используемая для увлажнения материала, быстро испаряется, а применение различных пленкообразующих средств приводит к снижению прочности бетона.
В условиях Камбоджи необходимо обеспечить нормальные условия твердения бетона для сохранения проектных показателей надежности и долговечности конструкции. В этом плане необходимо блокировать деструктивные явления, возникающие при развитии пластической усадки, исключив процессы перемещения влаги в свежеуложенном бетоне и испарения ее в окружающую среду. Существует много способов, используемых традиционно для решения данной проблемы. Однако является очевидным, что традиционная защита бетонов влечет за собой усложнение и удорожание технологии, поэтому необходимо разрабатывать альтернативные нетрадиционные способы обеспечения условий твердения бетонной смеси.
Наряду с соблюдением условий твердения фибробетонной смеси одним из путей повышения надежности и долговечности конструкции является применение новых видов вяжущих веществ, которые позволяют получить бетон с высокими строительно-техническими свойствами.
Наиболее целесообразным при производстве фибробетона будет использование композиционных вяжущих на основе тонкомолотых активных минеральных компонентов. Специфика твердения такого бетона будет способствовать обеспечению так называемого «внутреннего ухода», заключающаяся в сохранении внутреннего водного баланса за счет водоудерживающей способности компонентов микродисперсной добавки, что сопровождается снижением напряжений в твердеющем бетоне и к уменьшению размера и количества образующихся микротрещин.
Таким образом, в условиях стран Индокитая и Камбоджи (в частности) применение фибробетонов с использованием композиционных вяжущих для строительства и реконструкции зданий и сооружений, является перспективным направлением.
Изучение характеристик бетонных смесей
Испытания опытных образцов проводили в соответствии с ГОСТ 10180 -90, который предписывает осмотр, устранение имеющихся дефектов, отбитостей и выступов на гранях, точное измерение линейных размеров. Образцы перед испытанием выдерживали не менее 2 часов в помещении лаборатории при температуре 18+2 С.
Для измерения деформативных характеристик (продольных и поперечных деформаций) использовали способ нанесения центральных линий на гранях образцов. База измерения деформаций в 2,5 раза превышала наибольший размер зерен заполнителя и была 50 мм при использовании тензорезисторов. Приборы для измерения продольных деформаций были устанавливали по граням или по образующим цилиндра, развернутым под углом 120. Приборы для измерения поперечных деформаций были установлены посредине грани образца. Крепление индикаторов осуществляли с помощью приспособления в виде стальных рамок, которые закрепляли четырмя упорными винтами или опорных вставок на образце. Крепление вставок производили быстродействующим безусадочным клеем.
Перед наклеиванием поверхность образца следует обезжирить органическим растворителем, а затем нагреть опорную вставку до температуры 50-60 С. Опорную вставку в горячем состоянии прижимают к поверхности образца, предварительно нанеся на нее клей.
Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона, также как и призменной прочности бетона проводили шкалу в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-90. Опытный образец с приборами перед испытанием устанавливают центрально на траверсе пресса. К образцу прикладывали начальное усилие обжатия, величиной не более 2 % от ожидаемой разрушающей нагрузки, значение которой устанавливают по данным о прочности бетона, принятой в технической документации (в соответствии с ГОСТ 101800-90). При центрировании образцов в начале испытания от нуля до нагрузки, равной 40 + 5 % Pp отклонения деформаций по каждой грани (образующей) не превышали 15% их среднего арифметического значения.
Испытание призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона бетона нагружение образца от нуля до уровня нагрузки, равной 40 ± 5 % Рр, производили ступенями, равными 10 % разрушающей нагрузки, при скорости нагружения 0,6 ± 0,2 МПа/с.
После каждой ступени нагружения осуществляли выдержку нагрузки (4-5 мин.). При нагрузке, равной 40 ± 5 % Рр, снимают приборы с образца и записывают показания испытания. После снятия приборов дальнейшее нагружение образца производят непрерывно с постоянной скоростью в соответствии с требованием ГОСТ 10180-90. где Єї и є2 - приращение полных относительных продольных и поперечных деформаций образца, соответствующие уровню нагрузки Р\ = 0,ЗРр и замеренные в конце ступени ее приложения; 1ии 2„- приращения относительных продольных и поперечных деформаци ползучести, полученные при выдержках нагрузки на ступенях нагружения до уровня нагрузки Рх = 0,ЗРр.
Относительные продольные и поперечные деформации вычисляли как среднее арифметическое показаний приборов по четырем граням призмы или трем-четырем образующим цилиндра. Значения относительных деформации определяют по формулам: Б1=Ы1/11, (2.8) є2=АІ2/І2, (2.9) где А/І, А/; - абсолютные приращения продольной и поперечной деформации образца, вызванные соответствующим приращением напряжений; 1Ь 12 -фиксированные базы измерения продольной и поперечной деформации образца.
Использование тензорезисторов и других специальных приборов со шкалой, проградуированой в относительных единицах деформаций, позволяет определять величины si И В2 непосредственно по шкалам измерительных приборов. При определении средних значений призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона отбрасывают значения, отличающиеся от средних арифметических в серии образцов на 25 % (сильно отклоняющиеся) результатов испытаний. 2.2. Применяемые материалы
Апробация теоретических исследований осуществлялась посредством разработки составов и основе местного сырья Камбоджи и получения композиционного вяжущего и фибробетона на его основе.
Результаты изучения химического и минерального состава цемента ООО «Кампот Цемент» г. Пномпень (Камбоджа) показали близость показателей количества оксидов и минералов цементного клинкера аналогичным значениям продукции ЗАО «Белгородский цемент» марки ЦЕМ I 42,5Н. Поэтому для изготовления опытных образцов применяли портландцемент ЗАО «Белгородский цемент». Химический состав и основные строительно-технические показатели цемента в таблицах 2.4 и 2.5.
Фибра полипропиленовая - тонкое синтетическое волокно, получаемое из гранул высокомодульного термопластичного полимера - полипропилена, является многофункциональным микроармирующим компонентом. Она используется в качестве добавки в различных видах бетонов (тяжелых, гидротехнических), сухих строительных смесях (штукатурных, монтажных, кладочных). За счёт химического и физико-механического взаимодействий фибра быстро распределяется по всему объёму смеси, благодаря чему создаётся объёмно-пространственное армирование, препятствующее образованию и развитию внутренних дефектов бетона. Повышенная сопротивляемость трещинообразованию фибробетона обусловливает высокие физико-механические показатели (прочность при сжатии и изгибе, водостойкость, водонепроницаемость, морозо- и коррозионностойкость).
Микроармирующее волокно вводят на стадии перемешивания сухих компонентов смеси, а так же в готовую товарную смесь бетона или строительного раствора в объёме 0,6-0,9 кг/м . Дополнительное время перемешивания 10... 15 мин.
Влияние содержания наноструктурированного модификатора на водопотребность и сроки схватывания вяжущего
Процесс структурообразования протекает с разной скоростью, что приводит к различной полноте протекания реакций. В этих условиях одновременного и последовательного действия конструктивных и деструктивных факторов применение НМ является положительным фактором управления технологическим процессом, обеспечивающим необходимые условия направленного структурообразования, предполагающего развитие и оптимизацию структуры при нейтрализации влияния деструктивных.
Кинетика процесса структурообразования бетона характеризует нарастание прочности бетона во времени. Здесь влияние НМ играет важную конструктивную роль как «аккумулятора» необходимой для вторичной гидратации и поставку «питающей жидкости» из слоев чешуйчатых частиц глинистой породы, что повышает стойкость от трещинообразования во времени под нагрузкой. Несущая способность конструкции при этом (и здания в целом) не будет снижаться, что продлит службу монолитных фибробетонных сооружений и время до капитального ремонта.
Если интенсивность твердения обычных бетонов убывает со временем и наступает момент, когда гидратные оболочки вокруг зерен настолько уплотняются, что доступ воды внутрь зерен практически прекращается. До 30-40% частиц цемента остаются непрореагировавшими. При диаметре зерна цемента d = 50 мкм глубина гидратации составляет после 3-х дней гидратации -3,85 мкм, после 28 дней - 6,56 и после 6 месяцев - 11,64 мкм. Вид и активность цемента, его минеральный состав непосредственно влияют на скорость твердения бетона. Увеличение основности алюминатов приводит к большему ускорению процессов схватывания и твердения, но прочность бетона при этом снижается. При твердении же фибробетона на композиционном вяжущем с НМ благодаря работающей системе т. н. «внутреннего ухода» воды, процесс гидратообразования будет продолжаться с течением времени и даже при раскрытии трещин. Это может даже некоторым образом интенсифицировать гидратацию за счет выделения жидкости из внутренних слоев.
Добавку НМ можно отнести к уплотнителям структуры бетона на всем протяжении его твердения. Эта добавка производится из природных материалов вулканического (базальт) и осадочного (мел, глина) происхождения. Минеральные добавки такого рода в значительной мере определяют активность вяжущего и влияют на долговечность бетона. К таким добавкам относится предлагаемая добавка наноструктурированного модификатора (рис. 3.12).
Существенное влияние на структурообразование оказывает заполнитель, особенно в начальный период формирования структуры. Он отбирает, как бы оттягивает на себя часть воды-затворения. После затвердевания смеси заполнитель создает жесткий каркас, который упрочняет структуру, ограничивает усадочные явления, регулирует влажность в твердеющем цементе. В этом отношении НМ участвует в образовании прочной структуры контактной зоны заполнитель-твердеющее вяжущее, и в первоначальный период, благодаря быстрому набору прочности гидрокарбоалюминатами кальция уплотняют ее, а затем, отдавая водную субстанцию, сохраняют прочность во времени, «залечивая» микротрещины, возникающие при отслоении поверхности заполнителя от затвердевшей цементно-модифицированной матрицы.
Капиллярные поры начинают образовываться с началом формирования кристаллизационной структуры. Капиллярная пористость цементного камня будет тем больше, чем больше водоцементное отношение формовочной смеси и меньше степень гидратации цементного камня. Нанодисперсный модификатор снижает водо-цементное отношение в начальный период, как бы «сохраняя» его с течением времени. При этом, в условиях продолжающейся гидратации композиционного вяжущего объем капиллярных пор постепенно уменьшается, так как продукты гидратации заполняют часть порового пространства, в первоначальный период занятого водой-затворения. Однако с течением времени физически связанная вода испаряется, и процесс гидратации замедляется, и может быть совсем остановлен «опустошением» всех капилляров. И в этом случае положительное действие НМ окажет на твердеющую систему высвобождением т. н. «межслойной» воды. Процесс гидратации и набора прочности будет продолжен.
Твердение и структурообразование цементного камня в бетоне - это основополагающие процессы, способствующие формированию главных свойств бетона - прочность, проницаемость, долговечность и др. Весь процесс структурообразования цементного камня в бетоне можно условно разделить на два основных периода: 1) формирование структуры и 2) период ее упрочнения (стабилизации). Роль НМ в каждом периоде значительна. В каждой стадии структурообразования действие НМ характеризуется определенными значениями возникающих (или преобладающих) в это время показателей. Основным показателем можно считать градиент скорости диффузии высвобождающейся межслоевой жидкости к месту реакции гидратообразования. Чем выше этот показатель, тем больше будет скорость срастания образующихся кристаллов новообразований. Эти процессы, придают структуре твердеющего бетона специальные физико-механические свойства. Возникающая при этом структура под влиянием напряжений не деформируется и разрушается необратимо, а наоборот самопроизвольно восстанавливаются. Поэтому механические воздействия (например, вибрирование) с целью совершенствования структуры в этом случае не целесообразны.
Рост количества сростков кристаллов новообразований приводит к увеличению объемной концентрации новообразований и плотности геля в поровом пространстве между частицами композиционного вяжущего. Структура компонентов НМ (глинистая порода) на этом этапе служит как бы демпфером, поскольку выделение «питающей жидкости» в этот период не происходит, благодаря этим напряжениям.
Таким образом, формирование структуры цементного камня на основе KB -сложный физико-химический процесс. Поэтому получение бетона с высокими физико-механическими свойствами определятся, прежде всего, с эффективным управлением процессом структурообразования и создание методов контролирование этого процесса
В этом смысле НМ является мощным регулятором процесса структурообразования, с глубоким регулирующим эффектом. Его роль проявляется как на микро, так и на нано уровне формирования структуры бетона.
Повышение эффективности фибробетона на композиционном вяжущем
В Камбодже в настоящее время не регламентируется процент армирования для мелкозернистых фибробетонов. В данной работе были получены и исследованы составы с содержанием фибры 1, 2 ,3 и 4%. Для выявления оптимального содержания каждого вида фибры в бетоне.
При введении в бетонную смесь дисперсной арматуры изменяется как пустотность, так и удельная поверхность всех частиц заполнителя, поскольку изменяется объем цементного теста, расходуемый на заполнение пустот и покрытия поверхности этих заполнителей.
Модуль упругости фибробетона - величина не постоянная, и зависящая условий работы конструкции. Когда на начальных стадиях возникают напряжения ниже предела трещиностойкости, и структура фибробетона еще не нарушена, зависимость между напряжениями и деформациями - линейная, а значение начального модуля упругости выше характеристики сформировавшегося бетона на 15-20 %.
Начальный модуль упругости фибробетона в значительной мере зависит от коэффициента фибрового армирования. В начале коэффициент поперечной деформации фибробетона превышает аналогичные значения для обычного бетона на 10-20 %. Таким образом, высокие деформативные характеристики фибробетона, позволяют использовать этот материал для сооружений, подверженных динамическим воздействиям: дорожных и аэродромных покрытий, проезжих частей мостов, мостовых конструкций, волноломов, свайных фундаментов, корпусов судов и реакторов, складов, напорных труб. Так же фибробетон является эффективным материалов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений в регионах с высокой сейсмической активностью таких как региона Индокитая, где необходима вымокая надежность конструкций.
Оптимизацию структуры фибробетона и определение деформативных характеристик с оптимальными дозировками различных видов фибр проводили по методикам в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-90. Определяли деформативные характеристики разработанных составов бетона на основе композиционного вяжущего с оптимальным содержанием стальной фибры (табл. 4.21, рис. 4.24).
Удобоукладываемость смеси имела значение при сохранении низкого водоцементного отношения вводили НМ. Данная добавка отвечает требованиям строительства в условиях жаркого и влажного климата.
Высокая пластифицирующая и водоредуцирующая способность НМ позволяет снизить более чем на 25% содержание воды, что в свою очередь, повышает долговечность изделий и конструкций, снижает трещинообразование, усадочные деформации и ползучесть под нагрузкой.
Из данных таблицы 4.21 видно, что значения физико-механических характеристик фибробетона на композиционном вяжущем несколько ниже, чем аналогичные показатели искусственного камня с мелким заполнителем на активированном цементе с НМ (на 10-15 %).
Это объясняется присутствием в составе бетона крупного заполнителя, что снижает характеристики бетона вследствие увеличения площади контактной зоны и прочности сцепления зерен заполнителя с цементной матрицей.
Установлено оптимальное содержание заполнителя бетона и разработан состав высокопрочного фибробетона (табл. 4.22). При сравнении свойств бетонных образцов с высокоплотным составом заполнителя была установлена более высокая прочность бетона с НМ, по сравнению с аналогичными без добавочными составами.
Полученные значения свойств бетона, изготовленного на композиционном вяжущем, во всех случаях превышают аналогичные показатели образцов бетона, изготовленного на обычном портландцементе. Можно сделать вывод, что применение композиционных вяжущих с добавкой НМ позволяет получать искусственный каменный материал с высокими строительно-техническими свойствами. Это достигается оптимальной дозировкой вводимой в состав стальной и полипропиленовой фибры, подбором разнофракционного заполнителя, разработкой новых видов композиционных вяжущих, добавкой суперпластификатора, а также применение местных сырьевых ресурсов с пределом прочности при сжатии - 98,1 МПа, при изгибе - 12,2 МПа и высокими деформативными показателями.
Разработанный бетон является надежным и долговечным, который сохраняет во времени свои заданные эксплуатационные характеристики без разрушения в условиях, для которых он был изготовлен. Короткие сроки эксплуатации и снижение долговечности обусловлены воздействием внешних факторов или внутренними процессами, происходящими в бетоне. Внешние факторы (физические, химические, механические) - следствие атмосферных воздействий: перепад температуры, изменение влажности, жидкие и газовые среды. Сопротивляемость фибробетонной конструкции зависит прежде всего качеством бетона. Положительные результаты по продлению долговечности специальная защита поверхности конструкции. Для условий Камбоджи - это жаркий и влажный климат, способствующий коррозии, и сейсмическая неустойчивость региона.
Долговечность фибробетона определяется такими его свойствами как, морозостойкость, коррозионная стойкость, водонепроницаемость и, косвенно, трещиностойкость. По экспериментальным данным, морозостойкость фибробетонов при объемном коэффициенте армирования 0,01 в 7 раз выше по сравнению с обычным бетоном.