РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАЗРУШЕНИЯ И СТОЙКОСТИ ДОРОЖНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ АГРЕССИВНЫХ ФАКТОРОВ Автореферат

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та поставлені завдання досліджень, перераховані методи досліджень, наведена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів досліджень. Наведено відомості про структуру дисертації та апробації роботи.

У першому розділі виконаний критичний аналіз сучасних уявлень про деформування та руйнування дорожнього бетону при дії агресивних факторів, способи підвищення довговічності, особливості впливу кліматичних умов на процеси масопереносу і випаровування вологи з твердіючого бетону, особливості та закономірності вологовтрат на захищених і відкритих поверхнях бетону.

Оскільки метою і основною спрямованістю досліджень дисертації є розробка нових теоретичних основ руйнування та довговічності дорожніх бетонів на основі традиційних і нових закономірностей колоїдної хімії та фізико-хімічної механіки дисперсних систем, дисертація є принципово нова робота, у якої проаналізовані і використані праці авторів, які внесли найбільший внесок у накопичення експериментальних даних і розвиток теоретичних уявлень про довговічність бетону в умовах близьких до дорожніх: В.І. Бабушкина, В.Г. Батракова, А.К. Біруля, М.В. Бунина, О.Г. Вандоловського, В. Венца, В.Н. Вирового Д.И. Гегелія, Б.С. Гладкова, С.О. Гордеєва, В.В. Горохова, Г.Я. Горчакова, І.М. Грушко, Л.Й. Дворкіна, О.Л. Дворкіна, Л.М. Добшица, В.С. Дорофеєва С.І. Дізенко, В.І. Заворицького, М.М. Зайченко. І.Я. Золотницького, М.М. Іванова, Ф.М. Іванова, В.В. Капранова, Б.А. Крилова, Б.І. Ладигіной, Р.Я. Лівши, О.В. Ликова, Л.О. Малініной, Е.М. Малінського, А.К. Малмейстера, О.П. Матросова, С.О. Міронова, В.М. Москвина, М.О. Мощанського, О.П. Мчедлова-Петросяна, В.О. Невського, Т.С. Пауэрса, В.О. Перфілова, А.М. Плугіна, А.А. Плугіна, А.Ф. Полака, В. Рамачандрана, В.Б. Ратінова, Р.Ф. Руновой, В.М. Сіденко, А.В. Смірнова, С.Й. Солодкого, А.А. Старосельського, В.В. Стольнікова, М.М. Сичева, О.В. Ушерова-Маршака, А.С. Файвусовича, М.І. Хігеровича, Ю.В. Цеховського, З.М. Цілосані, В.Л. Чернявського, О.Е. Шейкина, А.М. Шейніна, С.В. Шестоперова, И. Шваба, В.І. Шевченко, Л.Г. Шпиновой та ін.

Довговічність бетону визначається умовами навколишнього середовища, діючими навантаженнями, використовуваними матеріалами, технологією будівельних робіт та умовами експлуатації бетону. Значну роль в активізації процесів руйнування і зносу дорожніх цементобетонів грає циклічна дія водних розчинів солей, які використовуються в зимовий період, особливо хлоридів. Найпоширенішим видом руйнування дорожнього бетону є стиранність верхнього шару бетону. По досягненні критичної величини стиранності руйнування
бетону стає незворотнім. Великий вплив на цей показник надають умови твердіння, особливо в початковий період, зокрема випаровування вологи.

Дія агресивних розчинів і змінних температур супроводжуються розвитком термічних напружень, гідравлічного, кристалізаційної і осмотичного тиску. Бетони в процесі впливу агресивних середовищ, що містять солі, піддаються видозміні і адаптуються з утворенням нових внутрішньоструктурних елементів, більш стійких до дії даних середовищ. На морозостійкість бетону впливає крупність і мінеральний склад щебеню і піску, міцність зони контакту, кількість, вид і дисперсність мікронаповнювача, витрати цементу. На довговічність бетону також впливають його пористість, однорідність за міцністю і щільністю, циклічне зволоження-висушування, дія масел і емульсій, підвищених температур, випаровування вологи з тверднучого бетону. На додаток до них проявляється негативний вплив довготривалої і швидкотекучої повзучості, яка повторюється.

Узагальнюючи уявлення вчених про механізми дії руйнують факторів після їх узагальнення можна сформулювати таким чином. Вплив пористості пов’язаний з кількістю замерзлої вологи в порах, об’ємом рівномірно розподілених резервних пір, які сприяють зменшенню внутрішніх напружень, наявністю в цементному камені гелевою складової, яка релаксує ці напруги. Неоднорідність міцності і щільності бетону обумовлені наявністю в бетоні ослаблених зон, де процес руйнування під дією агресивних факторів прискорюється. Циклічне зволоження-висушування викликає внутрішні напруги, що виникають в бетонних конструкціях при їх нерівномірному висиханні, збільшують сумарні напруги і конструкція піддається процесу втоми. При цьому вода в мікротріщинах при динамічному навантаженні сприяє зовнішнє зусилля і може працювати як демпфер, а при статичному навантаженні, навпаки, через ефект Ребіндера зменшує міцність. Масла – неполярні речовини і мають високу адсорбційну активність за рахунок наявності в них полярних присадок, смол і різних продуктів окислення. При попаданні на зовнішню і внутрішню поверхню бетону масло гідрофобізує її. При підвищенні температури виникають енергетичні флуктуації, що призводять до зростання теплових розтягуючих зусиль в структурі бетону. Накладення зовнішнього навантаження активізує процес руйнування зв’язків між елементами структури. Водонепроникність і інші властивості, що визначають довговічність цементного каменю і бетону, залежать не просто від капілярної пористості, але і від радіусу капіляра. Визнано, що за величиною капіляри діляться на мікрокапіляри (радіус менше 50 Ǻ), перехідні капіляри (радіус 50...1000 Ǻ) і макрокапіляри з радіусами більше 1000 Ǻ. Зі зменшенням вологості середовища зростає
кількість капілярів радіусом більше 50 Ǻ, що збільшує усадку і повзучість. В умовах низької вологості і високих позитивних температур формується система відкритих макропор, порушується структура бетону.

Істотні вологовтрати, що знижують міцність бетону, проявляються у верхньому шарі. При цьому до 75 % вологи, що випаровується з бетону, втрачається в перші 4 – 5 годин твердіння. За даними деяких авторів збільшення вологовтрат призводить до скорочення кількості гелю через нестачу вологи, інтенсивного зростання пористості бетону і збільшення середнього розміру капілярів. В залежності від умов тверднення вологовтрати досягають 0,1...1 кг/м² на годину. При підвищенні В/Ц укрупнюються пори і капіляри бетону, випаровування з великих капілярів відбувається більш інтенсивно, ніж з дрібних, а процеси конденсації вологи протікають у зворотному порядку. У капілярах утворюються меніски, в яких виникає стискуюче зусилля, яке стримує теплове розширення бетону. Заслуговує на увагу цілком коректна трактовка того, що усадка бетону обумовлена не втратою вільної вологи, а ущільненням гелю, а набухання – набуханням висохлого гелю при зволоженні.

Для збільшення стійкості бетону проти дії зазначених факторів найчастіше застосовують різні способи: просочення бетону захисними матеріалами; введення до складу бетону хімічних і мінеральних добавок; механічні способи обробки бетону. Просочення бетону найчастіше здійснюють метилметакрилатом або композицією на основі сіланових з’єднань. Однак застосування поверхневої обробки бетону для підвищення його стійкості до агресивних середовищ недостатньо ефективно.

Виконаний аналіз літературних даних свідчить про неоднозначність поглядів вчених на механізми впливу різних факторів на руйнування бетонів. Загальним і основним недоліком цих поглядів є те, що вони ґрунтуються на розгляді видимих ознак руйнувань і на загальнофізичних уявленнях. На нашу думку всі вони є наслідком дійсних процесів, що відбуваються на молекулярному, надмолекулярному, субмікроскопічному та інших рівнях структури, електроповерхневих властивостях структурних елементів і електроповерхневих взаємодіях між ними.

У другому розділі наводяться дані про методи досліджень і характеристики матеріалів, які застосовувались у роботі. Використовувалися цементи заводів: ВАТ «Балцем» м. Балаклея, цемзаводу м. Амвросіївка, ВАТ «Одесацемент», ВАТ «Криворізький ЦШК»; піски кварцові дуже дрібні Безлюдівського кар’єру Харківської області і дрібні кар’єрів Дніпропетровській області, пісок вапняковий крупнозернистий Сакського кар’єру АР Крим; щебінь гранітний Камишевахського кар’єру Запорізької області, щебінь з мармуровидних вапняків Балаклавського кар’єру АР Крим. В якості хімічних добавок застосовували: cуперпластифікатор «Релаксол», суперпластифікатори С-3 і СП-7, поліоксіетіленовий ефір монодіалкілфенолів (ОП-7), лігносульфонат технічний (ЛСТ), кремнійорганічна рідина ГКЖ-94, хлорид натрію, хлорид кальцію, гідроксид натрію, сульфат калію, карбонат калію, їдкий натр.

Третій розділ присвячений розвитку уявлень про механізми розмивання контактів і випаровування води як факторів руйнування і довговічності дорожнього бетону. Показано, що довговічність дорожнього бетону, як і будь-якого іншого, його стійкість в умовах заморожування і відтавання, зволоження і висушування (випаровування), а також корозії обумовлені існуванням ПЕШ на поверхні бетону і його структурних елементів, електрокапілярними явищами, а також електроповерхневими взаємодіями структурних елементів один з одним і з водою в адсорбційному і дифузному шарах.

Взаємодії між поверхнями і частинками з подвійним електричним шаром (ПЕШ) описані теорією ДЛФО і рівняннями розклинюючого тиску (в енергетичному та силовому виді). Однак традиційні уявлення про будову ПЕШ і розклинюючого тиску не повною мірою відповідають дійсним в реальних речовинах, зокрема, цементно-водних системах і бетоні. Це обумовлено тим, що в цементно-водних системах і бетонах переважає взаємодія між протилежно-зарядженими поверхнями, які не підкоряються теорії ДЛФО і рівнянням розклинюючого тиску. У разі протилежно заряджених поверхонь немає сил, що перешкоджають зближенню і мимовільному злипанню поверхонь. Крім того, шари ПВІ і ПРІ у ПЕШ є не суцільними, а точковими зарядами.

Теоретичний опис дифузної частини ПЕШ, що належить Гуї і Чепмену, ґрунтується на зіставленні енергії електростатичної взаємодії іонів з енергією їх теплового руху. Товщина дифузної частини ПЕШ d_Д при цьому описується виразом Дебая-Хюккеля (1).