WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

КЛЮЕВ Александр Васильевич

ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН НА ТЕХНОГЕННОМ ПЕСКЕ КМА ДЛЯ ИЗГИБАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.23.05 Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород – 2012

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова

Научный консультант: – доктор технических наук, профессор Р.В. Лесовик

Официальные оппоненты: – член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Ю.В. Пухаренко – кандидат технических наук С.М. Шаповалов

Ведущая организация: – ОАО «Конструкторско- технологическое бюро бетона и железобетона», г. Москва

Защита состоится «2» июля 2012 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан «24» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Г.А. Смоляго



Актуальность. Для строительства небоскребов, уникальных зданий и сооружений необходимо в ближайшие годы удвоить производство изгибаемых элементов, таких как, балки, плиты, ригели.

Ужесточение требований к безопасности зданий и сооружений привело к необходимости повышения показателей физикотехнических свойств и долговечности строительных материалов, применяемых при строительстве, реконструкции и ремонте. Известно, что цементные бетоны, наиболее широко применяемые среди всех других материалов, обладая высокой прочностью на сжатие, имеют сравнительно низкие показатели прочности при растяжении и изгибе, трещиностойкости.

Для улучшения показателей перечисленных свойств бетонов применяется дисперсное армирование бетона волокнами (фиброй) – стальными, стеклянными, базальтовыми, целлюлозными, синтетическими, углеродными и др. Представляется, что наиболее перспективным будет не только использование дисперсного армирования бетона, но и дополнительное усиление строительных конструкций композитами на основе углеволокна путем внешнего армирования.

Работа выполнена по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ, финансируемых из средств Федерального бюджета по разделу 01.10 Бюджетной классификации РФ и при финансовой поддержке в форме грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-3123.2008.8 и МК-2715.2012.8.

Цель работы. Повышение эффективности эксплуатационных характеристик дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов на техногенном песке КМА для изгибаемых изделий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– разработка принципов проектирования и технологий производства дисперсно-армированного мелкозернистого бетона с учетом особенностей минералогического состава, строения и свойств техногенных песков;

– разработка принципов усиления изгибаемых строительных конструкций с использованием мелкозернистого бетона на основе техногенных песков;

– составление пакета нормативных документов и внедрение результатов исследования для широкого применения.

Научная новизна.

1. Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистых бетонов, используемых для производства изгибаемых железобетонных конструкций, заключающиеся в оптимизации структуры на микро- и макроуровнях за счет создания высокоплотной упаковки зерен заполнителя из кварцсодержащих пород зеленосланцевой степени метаморфизма с угловатой морфологией зерен и шероховатой поверхностью, применения композиционных вяжущих и дисперсного армирования, что позволило увеличить предел прочности композита при изгибе на 60 – 70%.

2. Разработан алгоритм расчета многофункциональной системы «клинкер–наполнитель–заполнитель–органическая добавка–вода», позволяющий варьировать параметрами при оптимизации состава мелкозернистого бетона с целью повышения прочностных, деформативных и эксплуатационных характеристик композита. Его реализация в экспериментальных условиях позволила увеличить перечисленные выше характеристики на 20 – 30%.

3. Выявлен микроармирующий эффект наполнителя композиционного вяжущего за счет кремнеземсодержащих компонентов матрицы; это объясняется удлинением габитуса частиц, микрошероховатостью поверхности и высокой адгезией частиц наполнителя к цементному камню, что и предопределяет наилучшее сцепление цементного камня с фиброй. Внешним проявлением этого сцепления является выпрямление волновой фибры в зоне растяжения.

4. Установлен механизм влияния внешнего армирования бетонных изгибаемых изделий на композиционных вяжущих и техногенных песках на прочностные характеристики. Представляется, что предложенная система описывает законы, присущие слоистым конструкциям, когда композит на основе углеволокна в растянутой зоне образца практически полностью воспринимает растягивающее усилие за счет концентрации волокон в этой зоне. Экспериментально доказано, что усиление изгибаемых элементов за счет композита позволяет повысить предел прочности на растяжение при изгибе в 2 – 3 раза.

Практическое значение работы. Выявлены области рационального применения стальных фибр различного типа, предлагаемых российским рынком, для изгибаемых конструкций на основе мелкозернистого бетона с использованием техногенного песка КМА.

Разработаны дисперсно-армированные мелкозернистые бетоны с использованием композиционных вяжущих и техногенного песка КМА, а также высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона для строительства сборно-монолитных зданий и сооружений, с пределом прочности при сжатии до 84,8 МПа, прочностью на изгиб до 19,МПа.

Выявлен оптимальный процент дисперсного армирования мелкозернистого бетона – 3% по массе, при котором происходит наибольший прирост прочностных характеристик: от 15 до 60%.

Разработан алгоритм расчета составов мелкозернистого сталефибробетона на техногенных песках, позволяющий получать более плотную упаковку зерен заполнителя.

Установлена возможность усиления изгибаемых элементов углеволокном. При усилении бетонных образцов в один слой прочность на растяжение при изгибе возрастает в 2 раза.

Предложена область использования полос композита, армированного углеволокном, для усиления изгибаемых элементов из сталефибробетона на основе техногенного песка КМА.

Внедрение результатов исследований. Для широкомасштабного внедрения результатов работы для промышленного и гражданского строительства разработаны нормативные документы:

– стандарт организации СТО 2066339-002–2012 «Сталефибробетоны на техногенных песках КМА»;

– технологический регламент на изготовление сталефибробетонных перемычек методом виброформования бетонной смеси;

– технические условия на «Бетоны высококачественные мелкозернистые» ТУ 5870-002-02066339–2009;

– технические условия на «Сталефибробетоны мелкозернистые на основе отсева дробления кварцитопесчаника».

ТУ 5745-003-02066339 – 2011.

Апробация полученных результатов осуществлена на предприятии ООО «Элит-А». При этом получен значительный экологический, социальный и экономический эффект.

Теоретические положения работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и практического внедрения в промышленных условиях реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270105 «Городское строительство и хозяйство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 5–8 октября 2010 г.); Научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 22 декабря 2010 г.); 68-й Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (Самара, 11– 15 апреля 2011 г.); Шестой Всеукраинская научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного железобетона» (Одесса, 24–27 мая 2011 г.); Научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, декабря 2011 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 13 статьях, в том числе четыре статьи из списка ВАК РФ и в одной монографии.

Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611628 ФГУ ФИПС–2011. Зарегистрированы ноу-хау № 20110020 и № 20110021. Подана заявка на патент рег.

№2011111493, приоритет от 25.03.2011 г.

На защиту выносятся:

– принципы проектирования мелкозернистых сталефибробетонов для производства изделий и конструкций, работающих преимущественно на изгиб, для промышленного и гражданского строительства;

– методика расчета высокоплотной упаковки зерен дисперсноармированного мелкозернистого бетона и компьютерная программа расчета;

– вопросы оптимального дисперсного армирования стальной фиброй мелкозернистого бетона;

– принципы оптимального использования полос из композита, армированного углеволокном, для усиления балок в растянутой зоне.





Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений, акта и справки внедрения. Диссертация содержит 188 страниц основного текста, в том числе 30 таблиц, 39 рисунков и фотографий, 150 наименований литературы и два приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время осуществляется интенсивное строительство зданий и сооружений, что требует применения бетонов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, такими, как прочность на сжатие и растяжение, трещиностойкость, износостойкость, коррозионная стойкость, морозостойкость и т. Для разрешения данной проблемы были разработаны составы мелкозернистого сталефибробетона на основе техногенного песка – отсева дробления кварцитопесчаника (отсев дробления КВП), обогащенного таволжанским песком, и композиционных вяжущих, а также проведены исследования по усилению изгибаемых конструкций композитом на основе углеволокна путем внешнего армирования.

Для изучения вещественного состава отсевов дробления кварцитопесчаника и синтезированных образцов мелкозернистого бетона, полученного на их основе, использовались как высокоточные инструментальные методы исследований – рентгенофазового анализа (РФА), так и стандартные методики определения свойств сырья, смесей и изделий. Микростроение исходных сырьевых и синтезированных компонентов было изучено с помощью оптического и растрового электронного микроскопов. Микрофотосъемка проводилась с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий растровый электронный микроскоп (РЭМ) "Хитачи-S-800", совмещенный с персональным компьютером. Изображение получено в режиме вторичной электронной эмиссии. Для достижения качественного изображения в растровой электронной микроскопии применялась методика термического напыления образцов в вакууме золотой пленкой толщиной 10 нм. Ввиду острой необходимости комплексной оценки элементов микроструктуры искусственных композитов был проведен анализ материалов на основе ТМЦ и ВНВ по РЭМ-изображениям, реализованный с помощью пакета прикладных программ "STIMAN", разработанного в МГУ.

Для анализа распределения по размерам частиц вяжущего применялся метод лазерной гранулометрии MicroSizer 201, позволяющий непосредственно определять размеры частиц и процент их содержания в анализируемом материале.

Качество техногенных песков, бетонных смесей и бетонов на их основе зависят от многих факторов, обусловленных особенностями исходных пород, способами их измельчения и методами обогащения полученного продукта. При сопоставлении свойств природных и техногенных песков обращают на себя внимание принципиальные различия этих материалов. Если первые являются в основном кварцевыми, с округлой формой зерен и гладкой поверхностью, то вторые имеют существенные различия по составу и свойствам исходных пород, по угловатой форме зерен и шероховатости их поверхности (рис. 1).

а б Рис. 1. Зерно:

а – техногенного песка; б – природного песка Основные физико-механические свойства заполнителей представлены в табл. 1.

Таблица Физико-механические характеристики заполнителя Отсев дробления Таволжанский Показатель КВП песок Модуль крупности 3,50 1,Насыпная плотность, кг/м3 1490 14Истинная плотность, кг/м3 2710 26Пустотность, % 47,8 44,Водопотребность, % 5,5 Основной задачей при получении мелкозернистых бетонов, в том числе дисперсно-армированных, является снижение расхода клинкерной составляющей, так как из-за отсутствия крупного заполнителя идет перерасход цемента. Наиболее существенными факторами снижения содержания цемента в дисперсно-армированных мелкозернистых бетонах являются, уменьшение водопотребности бетонной смеси и повышение активности вяжущего. Поэтому с этой точки зрения перспективным направлением повышения эффективности таких бетонов считается применение композиционных вяжущих.

В ходе исследования были разработаны вяжущие следующих составов: вяжущее тонкомолотый цемент (ТМЦ-70) получали путем домола до удельной поверхности Sуд=500 м/кг портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108–2003.

Вяжущее низкой водопотребности (ВНВ-70) получали путем совместного помола до удельной поверхности 500 м/кг портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н, отсева дробления кварцитопесчанника и пластифицирующей добавки СП-1 в оптимальной дозировке.

Исследование реологических свойств композиционных вяжущих проводили путем оценки метода совмещения полных реологических кривых исследуемых в стационарном ламинарном потоке.

Сопоставляя зерновой состав ТМЦ-70 и ВНВ-70, можно сделать вывод, что при одинаковой удельной поверхности вяжущих (Sуд=500 м2/кг), зерен крупностью от 5 до 20 мкм больше в ВНВ-(19,8%) по сравнению с ТМЦ-70 (17,9%), соответственно, доля частиц размером менее 5 мкм в ТМЦ-70 несколько выше, чем в ВНВ-70. Зерновой состав получаемого при этом вяжущего ВНВ-70 отличается более высоким содержанием частиц крупностью от 5 до 20 мкм, что обеспечивает более высокую его активность.

По полученным данным можно оценить и эффективность помола: помол цемента с пластифицирующей добавкой СП-1 в количестве 0,5% от массы цемента проходит интенсивнее; так требуемая величина удельной поверхности 500 м2/кг достигается через 2 ч. помола, а не через 3 ч., как в случае помола цемента без добавки, что объясняется расклинивающим действием самой добавки.

Были определены основные характеристики разработанных вяжущих (табл. 2). Как видно из результатов исследований, вяжущее ВНВ-70 характеризуется более высокой активностью по сравнению с цементом ЦЕМ I 42,5 Н и ТМЦ-70.

Таблица Физико-механические характеристики композиционных вяжущих Вяжущего Удельная НГ, Начало Конец Активность поверх- % схватыва- схватыва- при при ность, ния, час. ния, час.

изгибе, сжатии, м2/кг МПа МПа ЦЕМ I 42,5Н 320 25,2 2,30 3,30 7,8 49,ТМЦ – 70 504 23,8 2,15 3,15 10,2 57,ВНВ-70 520 22,5 1,50 2,50 11,1 68,Для оценки возможности применения оптимального вида фибры при производстве высококачественного мелкозернистого сталефибробетона были разработаны составы, в которых в качестве заполнителя был применен отсев дробления кварцитопесчаника. Для оптимизации структуры матрицы в состав бетона был введен таволжанский песок. В качестве вяжущего были применены ЦЕМ I 42,5 Н, ТМЦ-70 и ВНВ-70.

С целью получения высококачественных сталефибробетонов в бетонную матрицу было введено три вида фибры (рис. 2):

– фибра стальная, волнообразная, длина 30 мм, диаметр 0,8мм;

– фибра стальная, анкерная, длина 50 мм, диаметр 0,8 мм;

– фибра стальная, плоская, длина 32 мм, ширина 3,2 мм.

а б в Рис. 2. Виды стальной фибры:

а – плоская фрезерованная; б – анкерная; в – волновая Бетонная матрица для всех типов фибры изготовлялась из одного состава мелкозернистого бетона. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость прочностных характеристик от вида фибр (начало) Призменная прочность, МПа Кубиковая прочность, МПа фибра фибра фибра фибра Анкерная Волновая Анкерная Без фибры фибра Волновая Плоская Без фибры фибра Плоская фрезерованная фрезерованная 18 Рис. 3. Зависимость прочностных характеристик от вида фибр (окончание) Анализ рис. 3 показывает, что сталефибробетон с использованием волновой фибры в качестве армирующего материала обладает наилучшими прочностными и деформативными характеристиками.

Известно, что рост трещиностойкости при дисперсном армировании объясняется процессами «торможения» распространения трещин (разрушение границ раздела между волокном и матрицей; вытягивание волокон из матрицы), действующих последовательно. За счет этого возникает дополнительное сопротивление трещинообразованию и его развитию. В свою очередь, фибры волновой формы будут сложнее вытягиваться из композита, позволяя уменьшить трещинообразование за счет сдерживания образования трещин еще в начальной стадии и лучшего распределения напряжений в самом бетоне.

Для дальнейшего исследования дисперсного армирования мелкозернистого бетона применяем волновую фибру.

Для более эффективного дисперсного армирования мелкозернистого бетона стальной фиброй важно установить диапазон процентного содержания фибр, в пределах которого исключается хрупкое разрушение. Для этого был выбран различный процент армирования (1,5;

3,0; 4,5; 6%). Результаты экспериментальных данных представлены в табл. 3 и на рис. 4.

Модуль упругости, Мпа *10^Прочность на растяжение при изгибе, МПа фибра фибра фибра фибра Анкерная Волновая Анкерная фибра Волновая Без фибры Плоская Без фибры фибра Плоская фрезерованная фрезерованная Таблица Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона, армированного стальной фиброй с различным процентом армирования Расход материалов, кг/ мЦем I 42,5Н 510 1180 555 170 - 50,2 35,0 13,35,1Цем I 42,5Н 510 1180 555 171 36 53,4 37,4 15,39,1Цем I 42,5Н 510 1180 555 172 72 57,4 39,9 16,41,1Цем I 42,5Н 510 1180 555 173 108 59,2 41,3 17,41,1Цем I 42,5Н 510 1180 555 174 144 60,5 42,2 17,42,1Установлено, что при 3%-м армировании по массе удается получить максимальные физико-механические показатели, что объясняется уплотнением цементного камня между волокнами.

Экспериментальные исследования показали, что дальнейшее увеличение процента дисперсного армирования дает незначительный прирост прочностных, деформативных и эксплуатационных характеристик. Это можно объяснить уменьшением толщины бетонного слоя настолько, что материал проявляет склонность к расслоению. Таким образом, выявлен оптимальный процент дисперсного армирования мелкозернистого бетона – 3% по массе, при котором происходит наибольший прирост прочностных характеристик – от 15 до 60%. Поэтому для дальнейшего исследования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов принимаем процент армирования 3.

Вид МПа вяжущего Кубиковая растяжение Вода, л Призменная Вяжущее, кг КВП, кг Прочность на песок, кг волновая Стальная фибра, кг прочность, МПа прочность, МПа при изгибе, МПа Модуль упругости, Таволжанский Отсев дробления 42,2 17,18 17,41,16, 39,15, 37, 38 13,0 1,5 3 4 0 1,5 3 4 Стальная волновая фибра, % Стальная волновая фибра, % 41,9 60,41,59,57,39,56 53,35,50, 34 0 1,5 3 4 0 1,5 3 4 Стальная волновая фибра, % Стальная фибра, % Рис. 4. Зависимость прочностных характеристик от процента армирования Как было сказано ранее, перспективным направлением повышения эффективности мелкозернистого сталефибробетона является применение композиционных вяжущих и высокоплотной упаковки зерен заполнителя. В данном исследовании был разработан алгоритм и программа расчета составов мелкозернистого сталефибробетона на техногенных песках, обогащенных таволжанским песком, позволяющий получать более плотную упаковку зерен заполнителя (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид программы изгибе, МП а Призменная прочность, МПа Проч ность на растяж ение при МПа МПа *10^Модуль упругости, Кубиковая прочность, С целью получения более высокопрочных сталефибробетонов были проведены экспериментальные исследования (табл. 4).

Таблица Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона, армированного стальной фиброй Расход материалов, кг/ мЦем I 42,5Н 510 1180 555 170 - 50,2 35,0 13,35,1Цем I 42,5Н 510 1185 555 172 - 56,5 38,7 14,40,1*ВПУ Цем I 42,5Н 510 1180 555 172 72 57,4 39,9 16,41,1Цем I 42,5Н 510 1185 555 174 72 65,2 44,9 17,42,1*ВПУ ТМЦ-70 510 1180 555 160 72 63,4 44,6 17,41,1ТМЦ-70 510 1185 555 162 72 69,7 48,6 18,43,1*ВПУ ВНВ-70 510 1180 555 150 72 76,2 53,2 19,43,1ВНВ-70 510 1185 555 152 72 84,8 59,3 19,44,1*ВПУ ––––––––– *ВПУ – высокоплотная упаковка зерен мелкозернистого сталефибробетона.

Разработанный алгоритм расчета многофункциональной системы «клинкер–наполнитель–заполнитель–органическая добавка– вода» позволил варьировать параметрами бетонной смеси с целью повышения эксплуатационных характеристик композита. Изучив и проанализировав полученные экспериментальные данные за счет использования высокоплотной упаковки зерен, можно сделать вывод, что эти характеристики увеличиваются на 20 – 30%.

Эффект от применения высокоплотной упаковки зерен техногенного заполнителя, обогащенного таволжанским природным песком, достигается за счет более компактного расположения всех компонентов, включая стальную фибру и оказывает на бетонную смесь комплексное воздействие. Так, кроме контактов «цементное тесто– МПа МПа жение Вид ность, МПа вяжущего волновая Стальная фибра, кг Вода, л КВП, кг Вяжущее, кг песок, кг при изгибе, МПа Призменная прочТаволжанский Модуль упругости, Прочность на растяКубиковая прочность, Отсев дробления заполнитель», появляются контакты «фибра–вяжущее», прочность которых в значительной степени зависит от физико-химического взаимодействия минералов, входящих в состав заполнителей и частиц вяжущего.

Применение же композиционных вяжущих, таких, как ТМЦ70 и ВНВ-70, позволяет, в свою очередь, повысить характеристики бетона по сравнению с аналогичными составами на основе цемента, что объясняется более плотной структурой цементного камня самих композиционных вяжущих и, следовательно, бетонов на их основе, а также меньшей пористостью.

Таким образом, высокоплотная упаковка компонентов смеси на основе композиционных вяжущих оказывает направленное воздействие на структурообразование сталефибробетона, позволяя повысить прочностные и деформативные характеристики изгибаемых элементов. Рациональный подбор заполнителя дал возможность получить на техногенных песках КМА сталефибробетон с пределом прочности при сжатии – 84,8 МПа, при изгибе – 19,8 МПа.

Для изучения микроструктуры контактной зоны стальной волновой фибры и цементного камня были проведены исследования с помощью РЭМ (рис. 6).

а б Рис. 6. Микроструктура контактной зоны «цементный камень – фибра»:

а – на ВНВ-70; б – на Цем I 42,5Н Как видно из исследований микроструктуры, а также исходя из результатов испытаний и визуального осмотра образцов после испытаний, контактная зона «композиционное вяжущее–фибра» имеет более плотную связь и прочность сцепления.

Таким образом, выявлен микроармирующий эффект наполнителя композиционного вяжущего за счет кремнеземсодержащих компонентов матрицы, что объясняется удлинением габитуса частиц, микрошероховатостью поверхности и высокой адгезией частиц наполнителя к цементному камню, это и предопределяет наилучшее сцепление цементного камня с фиброй. Внешним проявлением этого сцепления является выпрямление волновой фибры в зоне растяжения.

Микроструктура «цементный камень – фибра» имеет менее прочную взаимосвязь. Структура контактной зоны рыхлая, чешуйчатая. Фибра, в образцах после испытаний на Цем I 42,5Н заметно отличалась от фибры в образцах, выполненных с применением ВНВ-70.

Разработанные составы имеют марку по удобоукладываемости П3.

На следующем этапе исследования было изучено влияние вида вяжущего и генетических особенностей основного заполнителя на долговечность и прочностные характеристики сталефибробетона (рис.

7).

Степень гидратации исследуемых составов оценивали по изменению интенсивности отражений алита и белита (2,76 и 2,78 ) в области межплоскостных расстояний 20–32–33°, являющихся наиболее информативными для данных систем.

Рис. 7. Дифрактограмма образцов:

1– на ВНВ-70 + ВПУ; 2 – на Цем I 42,5Н Анализ образцов мелкозернистого сталефибробетона на ЦЕМ I 42,5 Н показал, что в нем сохраняется больше клинкерных минералов по сравнению с образцом на ВНВ-70 мелкозернистого сталефибробетона. В мелкозернистом сталефибробетоне с высокоплотной упаковкой на ВНВ-70, по сравнению с остальными образцами произошла более полная гидратация исходных клинкерных минералов.

Это позволило получить бетон с максимальной прочностью вследствие наиболее оптимального распределения минералов в теле образца.

В последнее время получили большое распространение композиты на основе углеволокна. Используемые для ремонта и усиления конструкций композитные материалы на базе углеродных волокон можно подразделить на две группы: формируемые непосредственно при производстве работ на строительном объекте и заводского изготовления.

С целью дальнейшего увеличения прочностных характеристик изгибаемых изделий целесообразно использовать внешнее армирование. Так как эти изделия преимущественно работают на изгиб, то для проведения экспериментальных исследований по их усилению целесообразно применять углеродную ткань с расположением волокон в одном направлении (однонаправленные), представленную на рис. 8, а.

Они наклеиваются на поверхность восстанавливаемой или усиливаемой конструкции послойно в растянутой зоне с помощью пропитки специальными эпоксидными смолами каждого слоя, которые формируются при отверждении смолы в естественных условиях.

По технологии производства усиления строительных конструкций углеволокном путем внешнего армирования можно выделить следующие этапы:

– подготовку основания под наклейку;

– раскрой углеродной ткани;

– приготовление адгезива;

– наклейка лент.

Были проведены экспериментальные исследования призм размерами 100100400 мм (рис. 8, б). Используемые материалы те же, что и для экспериментов, описанных выше (на ВНВ-70 + высокоплотная упаковка зерен).

а б Рис. 8. Углеродная однонаправленная ткань:

а – общий вид; б – наклеенная на образце В качестве адгезива использовался клей эпоксидный марки ЭДП (ТУ 2385-012-54804491–2002), изготовленный из эпоксидной смолы ЭД-20. Клей предназначен для приклеивания углеродной ткани на бетонный образец. Соотношение между углеродной тканью и эпоксидным клеем 60 : 40.

Рис. 9. Характер разрушения бетонных призм, усиленных углеволокном На рис. 9 представлен характер разрушения сталефибробетонных призм. Он изменяется, поскольку он работает совместно с косвенной внешней арматурой. Внешнее армирование позволяет усиленному образцу воспринимать более высокую нагрузку по сравнению с контрольными образцами. На рис. 10 представлены результаты испытания бетонных призм.

49, 52 46,39,19,0 1 2 Количество слоев Рис. 10. Зависимость прочности на растяжение при изгибе от количества слоев углеродной ткани Результаты проведенных экспериментальных исследований оказались близкими к теоретическим расчетам. Методика расчета по усилению изгибаемых конструкций углеволокном приведена в диссертации.

Анализ рис. 10 показывает нелинейное увеличение прочности усиленных образцов в зависимости от количества наклеенных слоев углеродных лент.

Были проведены натурные испытания по усилению в один слой углеволокном перемычки 3ПБ 13-37п. Наблюдается увеличение прочности на 35 % по сравнению с неусиленной перемычкой.

изгибе, МПа Прочность на растяже-ние при На следующем этапе осуществлялось изучение восстановления и усиления изгибаемых изделий углеродной лентой. Для этого проводились исследования по восстановлению и усилению сталефибробетонных призм. Сталефибробетонную призму вначале разрушили, затем склеили две части призмы эпоксидным клеем и произвели усиление конструкции углеволокном в растянутой зоне (рис. 11).

Рис. 11. Восстановленная и усиленная углеволокном призма Проведенные экспериментальные исследования этих призм показали увеличение предела прочности на растяжение при изгибе: не усиленные – 19,8 МПа, восстановленные и усиленные углеволокном – 23,4 МПа. Таким образом, наблюдается увеличение прочности на 18%, что свидетельствует об эффективности применения углеволокна при восстановлении и усилении строительных конструкций (рис. 12).

Рис. 12. Характер разрушения бетонных призм, восстановленных и усиленных углеволокном Установлен механизм влияния внешнего армирования бетонных изгибаемых изделий на композиционных вяжущих и техногенных песках на прочностные характеристики. Разрушение образца происходит не по восстановленному сечению. Представляется, что композит на основе углеволокна в растянутой зоне образца практически полностью воспринимает растягивающее усилие за счет концентрации волокон в этой зоне. Экспериментально доказано, что усиление изгибаемых элементов за счет композита позволяет повысить предел прочности на растяжение при изгибе в 2 – 3 раза.

Разработанные изгибаемые изделия на основе дисперсноармированного мелкозернистого бетона были внесены в проект строительства торгово-оздоровительного комплекса в Белгороде по ул.

К.Заслонова, 173 (ООО «Элит-А»).

Экономический эффект, достигаемый за счет использования разработанного состава сталефибробетона и усиления изгибаемых строительных конструкций углеволокном, значительно превышает эффект от использования составов, применяемых на сегодняшний день, и традиционных методов усиления.

Основные выводы 1. Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистых бетонов используемых для производства изгибаемых железобетонных конструкций, заключающиеся в оптимизации структуры на микро- и макроуровнях за счет создания высокоплотной упаковки зерен заполнителя из кварцсодержащих пород зеленосланцевой степени метаморфизма с угловатой морфологией зерен и шероховатой поверхностью, применения композиционных вяжущих и дисперсного армирования, что позволило увеличить предел прочности композита при изгибе на 60 – 70%.

2. Разработан алгоритм расчета многофункциональной системы «клинкер–наполнитель–заполнитель–органическая добавка–вода», позволяющий варьировать параметрами при оптимизации состава мелкозернистого бетона с целью повышения прочностных, деформативных и эксплуатационных характеристик композита. Его реализация в экспериментальных условиях позволила увеличить перечисленные выше характеристики на 20 – 30%.

3. Выявлен микроармирующий эффект наполнителя композиционного вяжущего за счет кремнеземсодержащих компонентов матрицы; это объясняется удлинением габитуса частиц, микрошероховатостью поверхности и высокой адгезией частиц наполнителя к цементному камню, что и предопределяет наилучшее сцепление цементного камня с фиброй. Внешним проявлением этого сцепления является выпрямление волновой фибры в зоне растяжения.

4. Установлен механизм влияния внешнего армирования бетонных изгибаемых изделий на композиционных вяжущих и техногенных песках на прочностные характеристики. Представляется, что предложенная система описывает законы, присущие слоистым конструкциям, когда композит на основе углеволокна в растянутой зоне образца практически полностью воспринимает растягивающее усилие за счет концентрации волокон в этой зоне. Экспериментально доказано, что усиление изгибаемых элементов за счет композита позволяет повысить предел прочности на растяжение при изгибе в 2 – 3 раза.

5. Обозначены области рационального применения стальных фибр различного типа, предлагаемых российским рынком, для изгибаемых конструкций на основе мелкозернистого бетона с использованием техногенного песка КМА.

6. Разработаны дисперсно-армированные мелкозернистые бетоны с использованием композиционных вяжущих и техногенного песка КМА, а также высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона для строительства сборно-монолитных зданий и сооружений, с пределом прочности при сжатии до 84,8 МПа, прочностью на изгиб до 19,8 МПа.

7. Выявлен оптимальный процент дисперсного армирования мелкозернистого бетона – 3% по массе, при котором происходит наибольший прирост прочностных характеристик: от 15 до 60%.

8. Предложена область использования полос композита, армированного углеволокном, для усиления изгибаемых элементов из сталефибробетона на основе техногенного песка КМА.

9. Обеспечено внедрение результатов научного исследования разработанными нормативными документами: техническими условиями ТУ 5870-002-02066339–2009 «Бетоны высококачественные мелкозернистые» и ТУ 5745-003-02066339–2011 «Сталефибробетоны мелкозернистые на основе отсева дробления кварцитопесчаника»;

стандартом организации СТО 2066339-002–2012 «Сталефибробетоны на техногенных песках КМА» и технологическим регламентом на изготовление сталефибробетонных перемычек методом виброформования бетонной смеси.

10. Произведено внедрение разработанных изгибаемых изделий на основе дисперсно-армированного мелкозернистого бетона в проект строительства торгово-оздоровительного комплекса в Белгороде по ул. К. Заслонова, 173 (ООО «Элит-А»).

11. Доказано, что применение композиционных вяжущих и высокоплотной упаковки зерен заполнителя бетонной матрицы позволит получить значительный социальный, экологический и экономический эффект. При этом экономический эффект от создания и использования новых строительных материалов будет заключаться в использовании техногенного песка, снижении расходов вяжущего за счет оптимальных условий формирования структуры сталефибробетона.

Стоимость разработанных составов по сравнению с традиционными уменьшиться на 31%.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Клюев, С.В. Усиление строительных конструкций композитами на основе углеволокна: монография / С.В. Клюев, А.В. Клюев, Р.В. Лесовик. – Lambert, 2011. – 123 с.

2. Клюев, А.В. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для производства мелкозернистого бетона армированного фибрами / А.В. Клюев, Р.В. Лесовик [и др.] // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 4. – С. 81 – 84.

3. Клюев, А.В. Сталефибробетон для сборно-монолитного строительства / А.В. Клюев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2011.

– № 2. – С. 60 – 63.

4. Клюев, А.В. Усиление изгибаемых конструкций композитами на основе углеволокна / А.В. Клюев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 38 – 41.

5. Клюев, А.В. Сталефибробетон на композиционных вяжущих и техногенных песках КМА для изгибаемых конструкций / А.В. Клюев, Р.В. Лесовик // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 2. – С. 14 – 16.

6. Лесовик, Р.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе техногенного песка для получения сборных элементов конструкций / Р.В. Лесовик, А.В. Клюев [и др.] // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. – Ч.3. – С. 140 – 143.

7. Клюев, А.В. Экспериментальные исследования сталефибробетонных конструкций / А.В. Клюев // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы науч.-практ. конф. – Белгород:

Изд-во БГТУ, 2011. – Ч.3. – С. 21 – 26.

8. Клюев, А.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе отсева дробления кварцитопесчанника / А.В. Клюев // Сб. науч. тр.

"Строительные конструкции". – Киев, ГП "НИИСК". – Вып. 74. – Книга 2. – С. 272 – 276.

9. Лесовик, Р.В. Расчет высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона / Р.В. Лесовик, А.В. Клюев // Инновационные материалы технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф.: Белгород, 11–12 окт. 2011 г. / Белгор. гос. технол. ун-т, Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 1 – С. 233 – 238.

10. Клюев, А.В. Техногенные пески как сырье для производства фибробетона / А.В. Клюев, Р.В. Лесовик // Инновационные материалы технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф.: Белгород, 11–окт. 2011 г. / Белгор. гос. технол. ун-т, Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 3 – С. 283 – 285.

11. Клюев, А.В. Стальные фибры и их применение для дисперсного армирования мелкозернистых бетонов / А.В. Клюев Инновационные материалы технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ.

конф.: Белгород, 11–12 октября 2011 г. / Белгор. гос. технол. ун-т, Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 1 – С. 229 – 232.

12. Клюев, А.В. Теоретические принципы армирования мелкозернистого бетона фибрами / А.В. Клюев // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 68-я Всероссийская науч.-техн. конф., Самара, 11–15 апр. 2011 г. – Самара, 2011. – С. 497 – 499.

13. Клюев, А.В. Сборные элементы конструкций на основе дисперсно-армированного мелкозернистого бетона / А.В. Клюев, О.В.

Ивашова, Л.Ю. Пириева // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: 68-я Всероссийская науч.-техн. конф., Самара, 11–15 апр.

2011 г. – Самара, 2011. – С. 499 – 501.

14. Клюев, А.В. Расчет высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона / А.В. Клюев, А.Н. Хархардин [и др.] // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611628 ФГУ ФИПС–2011.

15. Ноу-хау № 20110021. Сталефибробетон на основе техногенного песка и композиционного вяжущего / Р.В. Лесовик, А.В.

Клюев [и др.]; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор.

гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 03.12.11. Срок охраны сведений: 5 лет.

16. Ноу-хау № 20110020. Способ усиления бетонных и железобетонных конструкций углеродным волокном / Р.В. Лесовик, А.В.

Клюев [и др.]; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор.

гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 03.12.11. Срок охраны сведений: 5 лет.

КЛЮЕВ Александр Васильевич ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН НА ТЕХНОГЕННОМ ПЕСКЕ КМА ДЛЯ ИЗГИБАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.23.05 Строительные материалы и изделия Подписано в печать 22.05.2012 Формат 60x84/Усл.печ. л. 1,3. Уч.-изд.л. 1,4.

Тираж 100 экз. Заказ №1Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.