Управление процессами структурообразования модифицированных цементных бетонов (29.03.2010)

Автор: Сахибгареев Ринат Рашидович

Оценка эффективности известных представлений и развитие направлений по управлению применением цементных композитов, модифицированных бетонов на их основе с улучшенными прочностными и эксплуатационными свойствами;

Изучение и установление закономерностей между прочностью и технологическими параметрами (водовяжущее отношение, подвижность) модифицированных водоредуцированных бетонов для их рационального применения;

Разработка составов, способов, приемов и технологических решений для направленного управления заданной структурой и получения бетонов с улучшенными прочностными и эксплуатационными свойствами;

Разработка методологического подхода к определению и назначению рациональных и оптимальных областей применения высокопрочных бетонов с учетом напряженно-деформированного состояния изделий и конструкции.

Объект исследования. Строительные материалы и изделия. Бетоны. Получение и применение.

Предмет исследования. Цементные композиты и бетоны на их основе. Структура и структурообразование цементных композитов. Модификаторы для бетонов и растворов. Модели цементной системы на стадиях гидратации, структурообразования и твердения. Прочность и пористость. Многоранговая модель. Структурно-технологические аспекты получения и рациональные области применения бетонов повышенной прочности и долговечности на цементном вяжущем.

Методологические, теоретические и методические основы исследований:

обеспечение системно-структурного подхода при анализе направлений для управления структурой цементных композитов;

использование при экспериментальных исследованиях методов структурного моделирования для оценки возможности цементных систем к самозалечиванию;

комплексное применение методов идентификации структуры цементного камня для количественного описания взаимосвязи «прочность – локальная пористость – пористость», в том числе на основе классических представлений теории упругости;

расчетно-аналитическая интерпретация экспериментальных результатов для формирования базы данных в задачах конструирования оптимизированных структур цементных композитов и бетонов, обеспечивающих эффективную реализацию их свойств путем оптимизации и направленного регулирования структуры пор цементных композитов.

Связь работы с научными программами. Исследования и разработки выполнялись в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Государственного комитета Республики Башкортостан по строительству, архитектуре и транспорту на 2004 год по госбюджетным темам: РБ-05-04 «Разработка рецептур и технологии получения высокоэффективных полифункциональных добавок (суперпластификаторов) на базе нефтехимического сырья предприятий РБ (в т.ч. отходов) для технологии бетонных работ в монолитном домостроении»; РБ-03-04 «Разработка технологии получения дорожных и ограждающих цементных панелей и плит с высокоэффективной цветной поверхностью».

Научная новизна работы.

Разработаны научно-прикладные основы и технологические решения для управления формированием структуры цементных композитов и модифицированных бетонов, обеспечивающие их высокие прочностные и эксплуатационные свойства.

Систематизированы и обобщены направления и механизмы управления структурой цементных композитов, обеспечивающие формирование их высоких прочностных и эксплуатационных свойств.

Предложена модель развивающихся цементных систем, позволяющая прогнозировать их способность к структурообразованию на зрелых и поздних стадиях твердения и устанавливающая связи между технологическими параметрами, свойствами цементных композитов и их способностью к самозалечиванию в условиях перекристаллизации гидратных фаз, действия усадки и других деструктурирующих факторов, связывающих резерв клинкерного фонда с обеспечением и поддержанием требуемого уровня прочности.

Обоснован механизм формирования состояния твердеющего цементного камня, сопряженный с проблемой сохранения достигнутого уровня прочности и обеспечения долговечности цементных бетонов.

Предложено применение метода лазерной гранулометрии при анализе гранулометрического состава и дисперсности вяжущих как важного фактора процессов структурообразования и способности цементных систем к самозалечиванию.

На основе модели многоранговой пористости цементного камня, исследована и обоснована роль поровой структуры цементного камня по вкладу в прочность отдельных рангов пор.

С позиций формирования всего комплекса физико-механических характеристик цементных бетонов выявлены три фундаментальных элемента структуры цементного камня нанометрического масштаба: кристаллиты гидросиликатной составляющей продуктов гидратации цементного камня с поперечными размерами 5-50 нм, обеспечивающие прочность структуры; гелевые поры гидросиликатного сростка диаметром до 10 нм, а также фазообразующие промежуточные и микрокапиллярные поры диаметром до 200 нм, предопределяющие непрерывность процессов структурообразования и самозалечивания твердеющей системы.

Предложены пути и способы управления структурой модифицированных бетонов на основе рационального применения суперпластификаторов и органоминеральных добавок с оценкой эффективности их применения по взаимосвязи показателей «прочность – подвижность – водовяжущее отношение (далее В/В)».

Предложен комплекс технологических решений (составы, способы, технологии) для управления структурой цементных бетонов, изделий и конструкций повышенной прочности, долговечности и эксплуатационной надежности), в т.ч.:

установление областей рационального применения органических и органоминеральных модификаторов с целью получения технологичных бетонных смесей, высокопрочных и эксплуатационно надежных бетонов по взаимосвязи с водовяжущим отношением;

способ получения фиброцементных композиций и изделий на их основе при реализации объемного эффекта преднапряжения для повышения прочностных и эксплуатационных свойств;

способ поверхностного упрочнения и окрашивания изделий из модифицированных бетонов;

исследованы особенности применения противоморозных добавок для бетонов с позиций длительного набора прочности.

Разработан расчетно-аналитический аппарат для оценки и определения рациональных областей применения бетонов высокой прочности в железобетонных элементах с учетом характера их нагружения.

Практическая значимость и реализация работы. Постановка и обоснование проблемы сохранения и снижения достигнутого уровня прочности, обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности высокопрочных цементных бетонов. Разработка технологических условий и практических решений для их получения (приемов, способов и режимов). Предложен и обоснован поранговый расчетный подход к экспериментальной оценке поровой структуры цементного камня. Разработан гравиметрический метод и методика определения степени гидратации цементных систем твердеющих в водных условиях, которая позволяет при минимальных затратах труда и времени, с высокой степенью точности определить этот параметр, без дополнительных химических реактивов. Определены по параметру В/В практические интервалы применения органических и органоминеральных модификаторов для получения водоредуцированных технологичных бетонных смесей, высокопрочных и эксплуатационно надежных бетонов на их основе. Разработан способ, технология поверхностного упрочнения и окрашивания цементных композиций. Разработан способ и технология получения высокопрочных фиброцементных композиций и изделий из них с эффектом объемного преднапряжения, выпущена опытно-промышленная партия водопропускных колец из фибробетона с модифицирующими добавками.

Разработан нормативный документ ТУ 5862-001-73763349-2009 «Трубы безнапорные раструбные сталефибробетонные круглые сборные» с выпуском опытно-промышленной партии из фибробетонов с различными модификаторами. Разработаны технические условия: ТУ 5855-002-73763349-2009 «Кольца колодцев сталефибробетонные круглые сборные».

Предложены основы и принципы определения уровня напряженно-деформированного состояния цементных композиций на их основе для контроля прочности, долговечности и надежности эксплуатируемых бетонных изделий и ж/б конструкций.

Предложен инновационный подход с разработанным прикладным методологическим аппаратом оценки рационального применения бетонов повышенной прочности для эффективного проектирования. Разработано технико-экономическое обоснование применения высокопрочных бетонов в технологии монолитного строительства для сжатых и изгибаемых элементов. Результаты исследований и предложенный подход реализованы при проектировании и строительстве ряда жилых домов из монолитного бетона в г. Уфа.

Экономический эффект на одном из объектов от внедрения: 10-ти этажный монолитный жилой дом №1 «Каскад» по ул. Российской г.Уфа выразился в сокращении расхода рабочей арматуры на 25%, общего расхода рабочей и конструктивной арматуры до 17%. Выполненный раздел КЖ проекта жилого дома с эффективным применением бетонов и конструкций монолитного каркаса прошел экспертизу в Управлении Главэкспертизы России по Республике Башкортостан.

Результаты диссертационного исследования используются при подготовке студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: I-й Республиканской научно-практической конференции «Оптимизация технологии производства бетонов повышенной прочности и долговечности» (Уфа, 1983), Республиканской конференции «Использование отходов производства в строительстве» (Уфа, 1984), II-й Республиканской научно-практической конференции «Совершенствование технологии производства бетонов повышенной прочности и долговечности» (Уфа, 1985), V симпозиуме “Реология бетонных смесей и ее технологические задачи» (Рига, 1986), I-м Республиканском научно-практическом семинаре «Техническая диагностика в строительстве и возможности использования эффективных строительных материалов и конструкций» (Уфа, 1986), III Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Уфа, 1988), Республиканской научно-технической конференции «Проблемы комплексной застройки Южного берега Крыма» (Симферополь, 1988), VIII Ленинградской конференции по бетону и железобетону (Ленинград, 1988), X Всесоюзной конференции «Бетон и железобетон» (Казань, 1988), Областной научно-технической конференции «Использование отходов производства строительной индустрии» (Ростов-на-Дону, 1989), V, VII, VIII, IX, X, XI, XII Международной научно-технической конференции при Международной специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство» (Уфа, 2001, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008), VIII Академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005), II Всероссийской (Международная) конференции «Бетон и железобетон, пути развития» (Москва, 2005), Региональной научно-технической конференции «Опыт и перспективы использования модифицированных бетонов с суперпластификаторами Компании «Полипласт» эффективность их применения в строительной практике» (Уфа, 2006), Научно-практической конференции «Об опыте внедрения прогрессивных технических решений в проектировании и строительстве юбилейных объектов в Республики Башкортостан» (Уфа, 2007), семинаре «Опыт применения пластифицирующих и противоморозных добавок в сборном и монолитном строительстве на объектах РБ» (Уфа, 2008), Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве». День докторанта. (Воронеж, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 работ, включая 14 статей в журналах по перечню ВАК, в том числе 3 монографии, из них 2 в соавторстве, получено 7 авторских свидетельств и патентов на изобретение, а также одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора и достоверность научно-экспериментальных результатов. Основные результаты диссертационной работы получены соискателем самостоятельно. Достоверность научных положений, разработанных автором, а также достоверность выводов и рекомендаций подтверждена результатами исследований с применением современных методов физико-химического анализа, лазерной гранулометрии и достаточно точной сходимостью экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях, при полупромышленном производстве и испытаниях, в том числе разрушающими и неразрушающими методами, с применением метрологически поверенного оборудования в испытательной аккредитованной лаборатории, в соответствии с областью аккредитации.

Объем работы. Диссертация изложена на 367 страницах, включает 48 таблиц, 89 рисунков и состоит из введения, шести глав, выводов, приложений и списка литературы из 312 наименований.

Основные результаты работы, полученные лично автором и выдвигаемые на защиту:

Систематизированы и классифицированы направления и механизмы управления структурой цементных композитов с выявлением эффективности по вкладу в направленное формирование прочности и долговечности модифицированных цементных бетонов.

Представлена и обоснована проблема сохранения и снижения достигнутого уровня прочности, обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности высокопрочных цементных бетонов в условиях длительного твердения.


загрузка...