Нго Суан Хунг. Коррозионностойкий бетон с модифицированной структурой для морских сооружений

brief description

Нго Суан Хунг. Коррозионностойкий бетон с модифицированной структурой для морских сооружений;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»], 2021

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Нго Суан Хунг
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЙ БЕТОН С МОДИФИЦИРОВАННОЙ
СТРУКТУРОЙ ДЛЯ МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ
2.1.5 Строительные материалы и изделия
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Булгаков Борис Игоревич
Москва - 2022 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ БЕТОНОВ ДЛЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ 13
1.1. Анализ современного опыта использование коррозионностойких бетонов для
строительства морских сооружений в мире и во Вьетнаме 13
1.1.1. Мировой опыт использования коррозионностойких бетонов для строительства
морских сооружений 13
1.1.2. Применение коррозионностойких бетонов для строительства гидротехнических
объектов в прибрежной зоне Вьетнама 19
1.2. Научные основы создания коррозионностойких бетонов и повышение их стойкости к
коррозии в морской воде 21
1.2.1. Модифицирующие добавки 21
1.2.2. Способы повышения стойкости бетона к коррозии в морской воде и в других
агрессивных средах 24
1.3. Изучения влияния морской воды на надежность и долговечность бетонных и
железобетонных конструкций 25
1.3.1. Состав и свойства морской воды 26
1.3.2. Влияние морской воды на надежность и долговечность бетонных и железобетонных
конструкций 27
1.3.3. Преимущества и перспективы применения коррозионностойких бетонов для
строительства морских сооружений 31
1.4. Выводы по главе 1 31
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ 33
2.1. Общие методики исследований 33
2.2. Определение физико-механических характеристик бетонных смесей и
коррозионностойких бетонов на их основе 35
2.2.1. Определение подвижности бетонных смесей 35
2.2.2. Определение средней плотности бетонной смеси и бетона и его истинной плотности
36
2.2.3. Метод рентгенофазового анализа цементного камня бетонных образцов 38
2.2.4. Метод электронно-микроскопического анализа 39
2.2.5. Термогравиметрический анализ цементного камня бетонных образцов 39
2.2.6. Определение водопоглощения и водонепроницаемости бетонных образцов 40
2.2.7. Определение полного объема пор бетонных образцов 41
2.2.8. Определение прочности бетонных образцов на сжатие, на растяжение при изгибе и
на осевое растяжение 42
2.2.9. Определение сульфатостойкости бетонов 43
2.2.10. Определение стойкости бетонных образцов к коррозии выщелачивания и коррозии
под действием растворов кислот и солей 43
2.2.11. Исследование плотности структуры бетонов методом ионной хлорной
проницаемости 44
2.2.12. Определение степени коррозии арматуры в бетоне 45
2.2.13. Определение прочности сцепления между бетоном и арматурой 47
2.2.14. Измерение температуры в твердеющем бетонном блоке 48
2.3. Математические методы планирования эксперимента для оптимизации состава бетона 49
2.3.1. Объекты планирования эксперимента 49
2.3.2. Построение математической модели планирования эксперимента 50
2.4. Характеристики материалов для получения коррозионностойкого бетона 51
2.4.1. Вяжущее вещество 52
2.4.2. Крупный заполнитель 53
2.4.3. Мелкий заполнитель 53
2.4.4. Активные минеральные добавки 54
2.4.5. Суперпластификатор и его оптимальная дозировка 56
2.4.6. Вода затворения 56
2.5. Выводы по главе 2 56
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО БЕТОНА 58
3.1. Принципы проектирования коррозионностойкого бетона и расчет состава бетонной смеси по стандарту ACI 211.4R-08 58
3.1.1. Выбор удобоукладываемости бетонной смеси и необходимой прочности бетона на
сжатие 58
3.1.2. Выбор максимальной крупности заполнителя 58
3.1.3. Определение расхода воды затворения и объема вовлеченного воздуха 59
3.1.4. Выбор водовяжущего отношения 59
3.1.5. Определение расхода вяжущего вещества 60
3.1.6. Определение содержания золы-уноса в составе вяжущего 60
3.1.7. Выбор оптимального объема крупного заполнителя 61
3.1.8. Определение расхода крупного заполнителя 61
3.1.9. Определение расхода мелкого заполнителя 61
3.2. Кинетика набора прочности бетонами на основе разработанного многокомпонентного
вяжущего 62
3.3. Влияние продолжительности механоактивации золы-уноса на величину удельной
поверхности ее частиц 66
3.4. Определения предварительного состава коррозионностойкого бетона с использованием
модифицирующих добавок 67
3.5. Применения метода математического планирования эксперимента для оптимизации
состава коррозионностойкого бетона 69
3.5.1. Математическое моделирование влияния входных факторов на подвижность
бетонной смеси, потерю массы и прочность на сжатие образцов коррозионностойкого
бетона путем планирования второго порядка 69
3.5.2. Подвижность бетонной смеси 71
3.5.3. Потеря массы разработанных бетонов 72
3.5.4. Прочность на сжатие разработанных бетонов 74
3.6. Математическая модель массообменных процессов в ограждающей бетонной
конструкции прибрежного гидротехнического сооружения для обеспечения заданной долговечности с использованием решения обратной задачи нестационарной массопроводности 76
3.7. Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЫРЬЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ НА СВОЙСТВА КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО БЕТОНА 86
4.1. Подбор состава сырьевой смеси для получения коррозионностойкого бетона 86
4.2. Определение технологических показателей бетонных смесей разработанных составов . 86
4.3. Определение физико-механических и эксплуатационных показателей разработанных
коррозионностойких бетонов 87
4.4. Исследование влияния тонкодисперсных активных минеральных добавок на состав
продуктов гидратации методом рентгенофазового анализа 89
4.5. Исследование влияния органо-минеральных добавок на особенности фазового состава
цементного камня методом термогравиметрического анализа 90
4.6. Определение коэффициента массопроводности гидроксида кальция по толщине
бетонной конструкции и прогноз длительности эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций в морской среде 92
4.7. Исследование адгезионных свойств разработанных бетонов, плотности их структуры и 
4.7.1. Исследование стойкости бетонных образцов к коррозии выщелачивания и коррозии
под действием растворов кислот и солей 98
4.7.2. Определение проницаемости структуры разработанных бетонов для хлорид-ионов 100
4.7.3. Определение сульфатостойкости бетона 101
4.7.4. Определение степени коррозии арматуры в бетоне 102
4.7.5. Определение прочности сцепления между бетоном и арматурой 104
4.8. Измерение температуры в бетонных блоках в ходе твердения бетона 106
4.9. Выводы по главе 4 108
ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО БЕТОНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МОРСКИХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ВО ВЬЕТНАМЕ 112
5.1. Применение коррозионностойкого бетона для строительства морских гидротехнических сооружений 112
5.2. Применение коррозионностойкого бетона для строительства прибрежных сооружений 112
5.3. Технологическая схема получения коррозионностойкого бетона и его использование в
жарких и влажных климатических условиях Вьетнама 114
5.4. Расчет экономической эффективности разработанного коррозионностойкого бетона .. 116
5.5. Выводы по главе 5 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 140
ПРИЛОЖЕНИЕ В

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги исследования:
1. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что совместное использование в качестве ОМД, введенных в бетонную смесь, поликарбоксилатного суперпластификатора SR 5000P “Silk Road” и входящих в состав многокомпонетного вяжущего на основе сульфатостойкого портландцемента, микрокремнезема SF-90 в соотношении МК / СЦ = 0,1 и механоактивированной кислой золы-уноса ТЭС «Вунг Анг» в соотношении ЗУ / СЦ = 0,15, обладающих высокой пуццоланической акитивностью, позволяет получить бетон, пригодный для строительства и ремонта подводной части морских сооружений, с плотной структурой, высокой прочностью, водонепроницаемостью, стойкостью к коррозии и низким водопоглощением, за счет водоредуцирующего действия суперпластификатора и уплотнения структуры бетона из-за связывания аморфным кремнеземом, содержащимся в ЗУ и МК, в результате пуццолановой реакции свободного гидроксида кальция в менее растворимые и более химически стойкие низкоосновные гидросиликаты кальция. Уплотнение структуры бетона использованными ОМД подтверждается данными электронно-микроскопического анализа, а снижение содержания свободного гидроксида кальция в цементном камне бетона - результатами термогравиметрического и рентгенофазового анализа.
2. Установлено, что разработанный бетон оптимального состава на основе вяжущего, состоящего из СЦ, МК и механоактивированной низкокальциевой ЗУ ТЭС «Вунг Анг» при соотношении МК / СЦ = 0,1 и ЗУ / СЦ = 0,15, и содержащий 1% суперпластификатора SR 5000P “Silk Road” от массы вяжущего, обладает пониженным содержанием портландита в составе цементного камня (менее 12%) в возрасте твердения 28 суток, низкой пористостью (величина полного объема пор не более 7%), плотной структурой, подтвержденной методом электронной микроскопии, высокой прочностью на сжатие 78,5 МПа, осевое растяжение 4,3 МПа и растяжение при изгибе 7,4 МПа, водонепроницаемостью (марка по водонепроницаемости W16), низким водопоглощением 2,3 % масс. и высокой стойкостью к различным видам коррозии, включая коррозию в водном растворе, моделирующем состав морской воды придонного слоя Восточно-Вьетнамского моря в районе порта Халонг на севере Вьетнама, что делает его пригодным для строительства и ремонта подводной части морских сооружений.
3. Результаты экспериментальных испытаний в растворе, моделирующем морскую воду, проведенных в соответствии с теорией прогнозирования эксплуатационной долговечности бетона прибрежных гидротехнических сооружений, позволили сформулировать физические представления для зоны жидкостной коррозии бетонных и железобетонных конструкций и разработать математическую модель краевой задачи нестационарной массопроводности,
которая дает возможность решать как прямую задачу расчета концентраций переносимых агрессивных компонентов и продуктов химических реакций, так и обратную задачу определения коэффициентов массопроводности и массоотдачи на базе полученных экспериментальных данных. Анализ решения обратной задачи нестационарной
массопроводности с граничным условием, определяющим межфазный перенос вещества из бетона в жидкостную среду, с помощью разработанной математической модели позволяет прогнозировать длительность срока службы бетонных конструкций морских сооружений, который определяется процессами, протекающими на границе раздела фаз: в бетоне - массопроводностью (диффузией) свободного гидроксида кальция, а в жидкой фазе - его массоотдачей.
4. Результаты исследований, проведенных с помощью разработанного метода измерения температуры в твердеющих бетонных блоках, свидетельствуют, что замена части цемента в составе многокомпонентного вяжущего активными минеральными добавками приводит к сокращению выделения тепла при твердении бетона. В результате понижается температура в центре твердеющего бетонного блока и уменьшается разность температур в центральной части блока и на его поверхности, контактирующей с окружающей средой. За счет этого ограничивается величина термических напряжений, возникающих в твердеющем бетоне и снижается тенденция возникновения трещин в больших бетонных массивах, используемых при строительстве морских гидротехнических сооружений.
5. Разработаны и опробованы на практике технологическая схема и рекомендации, позволяющие получить КЗБ с модифицированной структурой на местных для Вьетнама доступных сырьевых материалах, обладающий требуемыми показателями для его использования при строительстве и ремонте подводных частей морских сооружений.
6. КЗБ разработанного оптимального состава в период с 01.06 по 18.09.2020 года был использован во Вьетнаме строительной организацией ОАО «Инвестиции и Строительство (Quang Dang)» для сооружения подводной части опоры моста Сунг Сот в бухте Халонг, а также для устройства защитного покрытия на подводной части земляной дамбы в устье реки Тай Бинь, при ее реконструкции, проводимой акционерным обществом ОАО «Инвестиции и Строительство (Phong Minh)». Общий объем использованной бетонной смеси составил 50 м3. Оценка качества работ реконструкции дамбы свидетельствует, что после года эксплуатации конструкция откоса дамбы остается стабильной, без образования трещин на поверхности и концентрация солей внутри дамбы находится на низком уровне 1 кг/м3, что допустимо по стандарту TCVN 9167: 2012.
7. Стоимость 1 м3 бетонной смеси разработанного оптимального состава, содержащей в качестве ОМД 1% поликарбоксилатного суперпластификатора, а также 12% механоактивированной низкокальциевой ЗУ и 8% МК в составе многокомпонентного вяжущего, ниже на 109,34 руб., чем у производимого во Вьетнаме бетона сравнения, содержащего в составе сульфатостойкого портландцемента с минеральными добавками типа ЦЕМ ША-К(Ш-МК) СС 12% мас. тонкомолотого доменного гранулированного шлака и 8% мас. МК, из-за более низкой стоимости золы-уноса по сравнению с доменным шлаком.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы, разработанные в диссертации, позволяют получить КЗБ плотной структуры на местных доступных сырьевых материалах, включая многотоннажные техногенные отходы, который можно использовать при строительстве и ремонте подводных частей морских сооружений во Вьетнаме, и осуществлять прогноз срока службы бетонных гидротехнических конструкций. Дальнейшего продолжения требуют исследования процесса трещинообразования в конструкциях и разработка математической модели для прогнозирования срока службы бетонных конструкций морских сооружений в условиях одновременного протекания выщелачивания и проникновения ионов хлора и сульфат-анионов