Шишкін Олександр Олексійович. Спеціальні бетони для підсилення будівельних конструкцій, які експлуатуються в умовах дії агресивних середовищ

Короткий опис

Шишкін Олександр Олексійович. Спеціальні бетони для підсилення будівельних конструкцій, які експлуатуються в умовах дії агресивних середовищ: дисертація д-ра техн. наук: 05.23.05 / Придніпровська держ. академія будівництва та архітектури. - Д., 2003. , табл.

Шишкін 0.0. Спеціальні бетони для підсилення будівельних конструкцій, які експлуатуються в умовах дії агресивних середовищ. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.23.05 - будівельні матеріали і вироби. - Придніпровська державна академія будівництва й архітектури, Дніпропетровськ, 2003.
Дисертація присвячена питанням розробки спеціальних бетонів для підсилення та захисту будівельних конструкцій, що працюють в умовах дії агресивних середовищ. У роботі розглядається новий напрямок у створенні будівельних матеріалів, заснований на концепції комплексних з'єднань і хімії поверхонь поділу фаз. Встановлено, що введення у в'яжучі речовини гідратаційного твердіння (портландцементний клінкер, шлаколужні в'яжучі) комплексів на основі іонів перехідних хімічних елементів, що виконують роль грубодисперсної гідрофільної поверхнево-активної речовини, дозволяє одержувати у продуктах гідратації комплексні з’єднання, що містять значну кількість зв'язаної води. А введення до цієї системи лужної молекулярно-колоїдної поверхнево-активної речовини сприяє мікроармуванню цементного каменю вуглеводневими радикалами та утворенню мінералів цеолітової групи.
Доведено, що бетони, отримані на основі спеціального цементу, який являє систему гідравлічне в'яжуче гідрофільна грубодисперсна поверхнево-активна речовина лужна молекулярно-колоїдна поверхнево-активна речовина”, мають підвищену міцність та довговічність, знижені деформативність, проникність.
Запропоновано методи прогнозування деформативних властивостей бетонної суміші й бетонів, а також міцності при стиску і проникненості бетону, ефективність яких обґрунтована теоретично і підтверджена практично.
Визначено механізм формування контактної зони спеціальних бетонів з матеріалами будівельних конструкцій, який засновано на законах хімії розподілу фаз. Доведено, що підвищення міцності контактного шару спеціального бетону з матеріалами будівельних конструкцій здійснюється на основі підвищення адсорбції та адгезії компонентів цього на поверхні будівельної конструкції, яку підсилюють.
Основні результати роботи знайшли промислове застосування при виробництві будівельних конструкцій і захисті існуючих будівельних конструкцій від корозії.

1. На основі положень колоїдної хімії, фізико-хімічної механіки дисперсних систем і експериментальних досліджень розроблені наукові основи одержання композиційних матеріалів на основі дисперсної системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна поверхнево-активна речовина, що складається з гідрофільної грубодисперсної, заснованої на перехідних хімічних елементах, і лужної молекулярно-колоїдної поверхнево-активних речовин», одержуваних, як на основі портландцементного клінкера, так і шлаколужного в'яжучого. Доведено, що ці композиційні матеріали мають властивості, що відрізняються від властивостей відомих композиційних матеріалів, зокрема, підвищеними міцністю при стиску й адгезією до основних матеріалів будівельних конструкцій, а також зниженими проникністю і деформативністю, що дозволяє віднести їх до спеціальних видів композиційних матеріалів.
2. Встановлено механізм дії гідрофільної грубодисперсної, лужної молекулярно-колоїдної ПАР і їхніх сумішей у дисперсних системах, що твердіють, як на основі портландцементного клінкера, так і шлаколужного в'яжучого, що полягає в модифікації поверхні поділу між компонентами цих систем, яка призводить до зміни послідовності їхньої гідратації. При цьому доведено, що модифікація поверхні поділу між компонентами дисперсної системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР» компонентами комплексної ПАР, полягає у їхній вибірковій хемосорбції до компонентів гідравлічного в'яжучого, що обумовлює зміни у структурі цієї системи, які полягають у специфічному фазовому складі гідратних утворень, зменшеній кількості зерен гідравлічного в'яжучого, що не гідратирувалися, і зменшеної відкритої шпаристості. Основними особливостями фазового складу гідратних утворень даної системи, який залежить від складу комплексної ПАР, виду і мінералогічного складу гідравлічного в'яжучого, є наявність: значної кількості стійких комплексних з'єднань на основі перехідних хімічних елементів, що містять значну кількість зв'язаної води та утворюються за рахунок взаємодії грубодисперсної ПАР із гідравлічним в'яжучим, і залозистих мінералів цеолітової групи, що утворюються за рахунок взаємодії гідрооксиду лужного металу з гідрофільною грубодисперсною ПАР, а також кальцієвих солей органічних кислот за рахунок взаємодії гідрооксиду кальцію, що виділяється при твердінні гідравлічного в'яжучого з лужним молекулярно-колоїдної ПАР. Це збільшує ступінь зв'язування води й оксидів кальцію і лужного металу у стійкі малорозчинні комплексні з'єднання і мікроармуванню одержуваного композиційного матеріалу вуглеводневими радикалами кальцієвих солей органічних кислот, які кольматують пори системи, надаючи гідрофобні властивості її поверхні, що, у свою чергу, призводить до зменшення її проникності, підвищенню морозостійкості і підвищенню стійкості до дії агресивних середовищ.
При цьому найбільше раціональним, із погляду одержання високих конструкційних і експлуатаційних властивостей даного матеріалу, є застосування в якості гідрофільної грубодисперсної ПАР суміші оксиду і карбонату заліза у співвідношенні, близькому до 1:1 або природних гірських порід із таким співвідношенням між зазначеними з'єднаннями заліза, у якості лужної молекулярно-колоїдної ПАР - натрієвих солей органічних кислот. Визначено, що раціональний вміст комплексної ПАР у системі складає 2025% від її дисперсної фази, у тому числі гідрофільної грубодисперсної ПАР - 1924%, молекулярно-колоїдної ПАР - 0,350,45%. Це, у свою чергу, призводить до інтенсифікації процесу гідратації на 5060%, підвищенню міцності на 3040% і щільності на 4045%, а також зниженню деформативності на 3040% одержуваного композиційного матеріалу в порівнянні з відомими.
3. Встановлено, що модифікація поверхонь поділу компонентів системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР - заповнювач», одержуваної, як на основі портландцементного клінкера, так і шлаколужного в'яжучого, комплексною ПАР за рахунок утворення стабільних гідратних утворень із високим утриманням зв'язаної води, малорозчинних з'єднань цеолітової групи і мікроармуванням поверхні вуглеводневими радикалами органічних кислот забезпечує одержання композиційного матеріалу, що володіє підвищеною міцністю при стиску, а також зниженими проникністю і деформативністю, що дозволяє віднести його до спеціальних бетонів. А пластифікація бетонної суміші комплексною ПАР покращує її удобоукладність.
При цьому застосування в якості заповнювачів даної системи залізовмісних гірських порід або відходів промисловості призводить до поліпшення конструкційних і експлуатаційних властивостей матеріалу за рахунок збільшення міцності контакту між в'яжучим, що містить комплексну ПАР, і цими заповнювачами.
4. Доведено, що модифікація поверхні поділу багатокомпонентної системи «спеціальний бетон посилення - поверхня конструкції, яку посилюють» комплексною ПАР, що відбувається за рахунок хімічної й обмінної адсорбції компонентів дисперсної системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР» на матеріалі будівельної конструкції і їхнього хімічного зрощування, призводить до підвищення адгезії продуктів твердіння даної дисперсної системи з матеріалом будівельної конструкції, забезпечуючи підвищення міцності зчеплення між елементами цієї багатокомпонентної системи.
Попередня модифікація поверхні будівельної конструкції шляхом її опрацювання водяним розчином олеату натрію - одним із видів лужної молекулярно-колоїдної ПАР за рахунок утворення мікроанкерів із вуглеводневих радикалів олеїнової кислоти на цій поверхні також сприяє збільшенню міцності зчеплення спеціального бетону з матеріалом будівельної конструкції. При цьому, збільшення шпаристості бетонної поверхні за рахунок підвищеного, у порівнянні з відомими цементними системами, проникання в ці пори дисперсної системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР» призводить до збільшення міцності механічного зчеплення спеціального бетону з бетонною поверхнею конструкції. Карбонізація цієї поверхні на глибину до 3 мм за рахунок взаємодії дисперсної системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР» із продуктами карбонізації бетону конструкції не впливає на міцність зчеплення спеціального бетону з бетонною поверхнею, а наявність прошарку оксидів заліза товщиною до 50 мкм на поверхні металевих елементів конструкції призводить до підвищення міцності зчеплення спеціального бетону з металевою поверхнею елементів конструкцій.
5. Встановлено закономірності зміни в часі конструкційних характеристик спеціального бетону. Зокрема, інтенсивний приріст міцності на 20...40% при незначному його гальмуванні в початкові терміни твердіння, підвищення межі міцності при стиску на 3040% і розміру початкового модуля пругкості на 3040%, а також зниження власної усадки на 2025%. Підвищення експлуатаційних властивостей цього бетону полягає в підвищенні стійкості при дії агресивних середовищ на 4050%, морозостійкості на 2030% і зниженні проникності на 2030%. Поліпшення конструкційних і експлуатаційних властивостей бетонів відбувається за рахунок наявності у складі продуктів гідратації спеціального цементу значної кількості високо закристалізованих гідратних утворень із високим утриманням зв'язаної води, мінералів цеолітової групи і вуглеводневих радикалів органічних кислот.
6. Розроблено основи урахування впливу комплексної ПАР і її компонентів у дисперсній системі «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР» на властивості цієї системи при проектуванні її складів і складів бетону, одержуваного на її основі, для посилення будівельних конструкцій. Показано, що оцінка дії лужної молекулярно-колоїдної ПАР здійснюється зміною ступеня розрідження дисперсної системи, за рахунок дії цієї ПАР, а гідрофільної грубодисперсної ПАР - у грузькості цементного тіста, проникності і деформативності композиційного матеріалу.
Розроблено методику проектування складів бетонів, як системи «гідравлічне в'яжуче - комплексна ПАР - заповнювач», для посилення будівельних конструкцій, що дозволяє прогнозувати, як його конструкційні й експлуатаційні властивості, так і технологічні властивості бетонної суміші.
7. Техніко-економічна ефективність розроблених спеціальних бетонів базується на комплексі чинників: знижених деформативності і проникності, підвищених міцностях при стиску і зчеплення з матеріалом будівельної конструкції, стійкості до дії агресивних середовищ, що гарантують одержання довговічних бетонів із високими експлуатаційними властивостями.
Результати досліджень реалізовані шляхом промислового використання спеціальних бетонів підприємствами України, введенням у користування низки нормативних і методичних документів, у тому числі: ТУ У В.2. 6-14. 1-13464244-003-2003 «Бетони спеціальні для відновлення, захисти і посилення будівельних конструкцій», «Методичні рекомендації з розрахунку, посиленню і захисту будівельних конструкцій шлакошламовими лужними бетонами» і використанням у навчальному процесі при підготовці спеціалістів фаху 7. 092104 «Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів».
Економічна ефективність спеціальних бетонів утворюється за рахунок збільшення міжремонтних термінів експлуатації будівельних конструкцій, за рахунок підвищеної довговічності отриманих бетонів, і склала 620727 грн.