Нгуен Дык Винь Куанг. Модифицированный бетон для подземных сооружений прибрежной зоны с высоким содержанием сульфатов

Краткое описание

Нгуен Дык Винь Куанг. Модифицированный бетон для подземных сооружений прибрежной зоны с высоким содержанием сульфатов;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»], 2021

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
НГУЕН ДЫК ВИНЬ КУАНГ
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БЕТОН ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СУЛЬФАТОВ
2.1.5 Строительные материалы и изделия
Диссертация
на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
АЛЕКСАНДРОВА
Ольга Владимировна
Москва - 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОПЫТА СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕТОНОВ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ И МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ 12
1.1 Проблемы подземного строительства во Вьетнаме 12
1.2 Особенности бетона для подземного строительства 14
1.3 Воздействие коррозионной сульфатной среды на бетонные конструкции в южном
регионе Вьетнама 15
1.3.1 Источники сульфатов и низкого значения pH среды, вызывающие коррозию бетонных
конструкций 16
1.3.2 Формы сульфатной коррозии бетона 18
1.3.3 Коррозионная стойкость бетона в морской воде и грунтовых водах 23
1.4 Математические модели процессов коррозии бетона для подземных сооружений с
учетом воздействия агрессивных сред 25
1.5 Выводы по главе 1 30
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 32
2.1 Методы исследований 32
2.1.1 Рентгеноструктурный анализ 34
2.1.2 Метод сканирующей электронной микроскопии 34
2.1.3 Мет од трансм иссионной элект ронной мик роскопии (ТЭМ) 34
2.1.4 Анализ размеров частиц методом лазерной дифракции 35
2.2 Методы определения технологических характеристик бетонных смесей и физико-механических и эксплуатационных показателей бетонов на их основе 35
2.2.1 Определение удобоукладываемости бетонных смесей 36
2.2.2 Определение водопоглощения и водонепроницаемости бетонных образцов 37
2.2.3 Ультразвуковой импульсный метод определения прочности бетона на сжатие 38
2.2.4 Определение прочности бетонных образцов на сжатие и на растяжение при изгибе и
при раскалывании 39
2.2.5 Определение статического модуля упругости бетона 41
2.2.6 Исследование плотности структуры модифицированных бетонов 42
2.2.7 Определение сульфатостойкости бетонов 43
2.2.8 Определение стойкости бетонных образцов к коррозии выщелачивания и коррозии под действием растворов солей 45
2.2.9 Исследование ускоренным методом коррозионной стойкости стальной арматуры в
зависимости от структуры модифицированных бетонов 45
2.3 Характеристики используемых материалов 47
2.3.1 Цемент 48
2.3.2 Заполнители и наполнитель 49
2.3.3 Активные минеральные добавки 51
2.3.4 Добавки химические 54
2.4 Проектирование состава модифицированного бетона для подземных конструкций,
подверженных воздействию различных агрессивных сред 55
2.5 Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
КОМПЛЕКСА МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СВОЙСТВ БЕТОНА 60
3.1 Разработка математической модели процесса массопереноса при жидкостной коррозии
бетона с учетом влияния грунта прибрежной зоны 60
3.2 Исследование влияние золы-уноса на свойства модифицированных бетонов 69
3.3 Исследование влияние комплекса минеральных добавок и тонкомолотого кварцевого песка на прочностные свойства и коррозионную стойкость модифицированных бетонов 76
3.4 Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. СИНТЕЗ НАНОРАЗМЕРНОГО КРЕМНЕЗЁМА ИЗ ВЫСОКОМОДУЛЬНОГО БЕЛОГО ПЕСКА И ВЛИЯНИЕ ЕГО ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА СВОЙСТВА И КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ БЕТОНА И АРМАТУРЫ 89
4.1 Синтез и характеристика наночастиц кремнезема из природного белого песка 89
4.2 Исследование влияния наночастиц кремнезема на прочностные свойства
модифицированных бетонов, их стойкость к проникновению хлорид-ионов и сульфатной коррозии 93
4.2.1 Проектирование составов бетонных смесей с нанокремнеземом для получения
модифицированных бетонов 93
4.2.2 Определение прочностных свойств бетонов с различным содержанием
нанокремнезема 94
4.2.3 Исследование влияния наночастиц кремнезема на микроструктуру бетона 96
4.2.4 Исследование влияния нанокремнезема на водопоглощение бетонов 98
4.2.5 Влияние нанокремнезема на стойкость бетонов к проникновению хлорид-ионов .... 99
4.2.6 Исследование стойкости бетонов к коррозии под действием раствора сульфата
натрия 102
4.2.7 Определение сульфатостойкости бетона 106
4.3 Исследование влияния наночастиц и суперпластификатора на коррозионную стойкость стальной арматуры в железобетонных конструкциях 107
4.3.1 Причины и механизмы износа железобетона 107
4.3.2 Теоретическое определение электрического тока методом ускоренной коррозии .. 111
4.3.3 Определение силы тока при ускоренной коррозии арматуры в бетонных балках ... 111
4.4 Выводы по главе 4 120
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АЛЬТЕРНАТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕЛОГО КВАРЦЕВОГО ПЕСКА ТРАДИЦИОННОМУ РЕЧНОМУ 121
5.1 Обоснование возможности использования белого песка, как альтернативы речному
песку во Вьетнаме 121
5.2 Физико-механические свойства и коррозионная стойкость модифицированных бетонов, содержащих природный белый кварцевый песок в качестве замены речного
песка 123
5.2.1 Свойства природного белого песка 123
5.2.2 Технологические свойства бетонных смесей 123
5.2.3 Определение механических характеристик затвердевшего бетона 125
5.2.4 Исследование стойкости бетона к коррозии под действием растворов солей
Na2SO4 129
5.2.5 Испытание стальной арматуры ускоренным методом на коррозионную стойкость в образцах-балках из бетонов разработанных составов, содержащих белый кварцевый песок 130
5.3 Выводы по главе 5 135
ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО БЕТОНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВО ВЬЕТНАМЕ 137
6.1 Технологическая схема получения высокоэффективного модифицированного бетона 137
6.2 Экологическая и экономическая эффективность использования модифицированного бетона, произведенного во Вьетнаме 139
6.2.1 Расчет экономической эффективности применения разработанного
модифицированного бетона на основе местных сырьевых материалов Вьетнама 139
6.2.2 Сокращение выбросов CO2 модифицированного бетона 144
6.3 Выводы по главе 6 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155
ПРИЛОЖЕНИЯ 168
ПРИЛОЖЕНИЕ А 168
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 169
ПРИЛОЖЕНИЕ В 175
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 198
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 199
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 200
ПРИЛОЖЕНИЕ З 201

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1. На основе изучения результатов исследований российских и зарубежных учёных установлены основные факторы, влияющие на прочностные и структурно-механические характеристики железобетона и коррозионную стойкость сооружений, находящихся в зоне прибрежных морских акваторий Вьетнама, морская среда которых имеет повышенное содержание агрессивных сульфат- и хлорид- ионов. Установлено, что основными факторами, определяющими стойкость к коррозии железобетонных конструкций, являются мероприятия, противодействующие массопереносу (диффузии) свободного гидроксида кальция из внутренней структуры бетона через слой грунта в морскую акваторию.
2. Обоснована и экспериментально доказана возможность получения бетона с модифицированной структурой, стойкого к воздействию сульфатсодержащих агрессивных сред с использованием местных для Вьетнама сырьевых материалов путем использования комплекса минеральных добавок, состоящего из золы-уноса и микрокремнезема совместно с нанокремнезёмом и тонкомолотым кварцевым порошком, который предназначен для строительства подземных сооружений прибрежной зоны с высоким содержанием сульфатов. Модифицированный бетон для строительных работ в агрессивной среде с жарко-влажными климатическими условиями Вьетнама с точки зрения прочности и долговечности может быть изготовлен из смесей с соотношением вода+суперпластификатор:вяжущее, равным 0,3, и содержанием цементирующих материалов не менее 550 кг/м3, включая от 20 до 30 % золы-уноса и от 5 до 12,5 % микрокремнезема.
3. На базе физических представлений об особенностях массопереноса гидроксида кальция в пористой структуре твёрдого тела разработана математическая модель массопроводности (выщелачивания) ионов Са2+ в системе «бетон-грунт-морская акватория», основанная на дифференциальных уравнениях нестационарной диффузии с комбинированными граничными условиями II-го и IV-го рода, позволяющая моделировать динамику полей концентраций переносимых агрессивных компонентов и продуктов реакции, а также решать обратную задачу по определению коэффициентов массопроводности и массоотдачи на основе полученных экспериментальных данных, с целью прогнозирования долговечности железобетонной конструкции.
4. Предложен режим синтеза нано^Ю2 из местных материалов Вьетнама путем разложения кварцевого песка в расплавленной соли гидроксида натрия при температуре 500°C под действием ультразвуковых волн. Предложенный метод является простым, характеризуется относительно низкой температурой реакции, равномерной дисперсией легирующих ионов
5. Доказано, что частичная замена в составе вяжущего сульфатостойкого портландцемента на нано^Ю2 в количестве 1-2% масс. повышает коррозионную стойкость стальных арматурных стержней в бетоне. С точки зрения микроструктуры бетона, введение нано- SiO2 способствует ее уплотнению за счет снижения пористости (полная капиллярная пористость составляет 1,1 - 0,96%), что приводит к повышению прочности и снижению водопоглощения до 0,44% по массе модифицированных бетонов. Введение 2 % масс. нанокремнезема приводит к большему уплотнению структуры модифицированного бетона по сравнению с бетоном, содержащим 1% масс. Нанокремнезема (полная капиллярная пористость 0,96%, водопоглощениепо массе 0,377%), а также с бетоном контрольного состава (полная капиллярная пористость 1,3%, водопоглощение по массе 0,548 %), не содержащим нанокремнезем.
Наблюдается меньшая (на 49,5%) потеря массы стали из-за коррозии в бетонных образцах, содержащих 1% масс. нано^Ю2; длина, ширина и глубина питтинга трещин, вызванных коррозией, также были ниже в образцах, содержащих 1% масс. нанокремнезема.
6. Доказано, что более доступный белый кварцевый песок может быть использован в качестве мелкого заполнителя как альтернатива более дорогому речному песку. Образцы бетона, содержащие в качестве мелкого заполнителя природный белый кварцевый песок, показали более высокую стойкость к проникновению хлорид-ионов из окружающей среды. Значение проницаемости для ионов хлора структуры бетонных образцов, содержащих в качестве мелкого заполнителя 100% белого песка, на 292 % ниже, чем у бетонных образцов, содержащих речной песок. Добавление 1% и 1,5% нанокремнезема от массы цемента в бетонные смеси, содержащие белый песок в качестве мелкого заполнителя, приводит к еще большему повышению стойкости бетонов к проникновению хлорид-ионов.
Установлено, что модифицированные бетоны на белом песке обладает повышенной стойкостью к сульфатной коррозии по сравнению с бетонами на речном песке. Значение прочности на сжатие образцов бетонов на белом песке, подвергнутых воздействию 10%-ного раствора Na2SO4, снизилось на 2,4%, в то время как у бетонных образцов на речном песке - на 5,3%.