close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Фибробетон для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока.

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
ШАКАРНА Махмуд Хусни Ибрахим
ФИБРОБЕТОН ДЛЯ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ
БЛИЖНЕГО ВОСТОКА
Специальность 05.23.05  Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Белгород 2013
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова»
Научный руководитель
– доктор технических наук, профессор
Лесовик Валерий Станиславович
Официальные оппоненты  Пухаренко Юрий Владимирович
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный
университет» зав. кафедрой строительных
материалов и технологий
 Яковлев Евгений Александрович
кандидат технических наук,
ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.
Шухова», начальник управления научноисследовательских работ
Ведущая организация
 Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский
государственный университет архитектуры
и строительства»
Защита состоится «17» сентября 2013 года в 11.00 часов на заседании
диссертационного Совета Д.212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород,
ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242 г.к.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского
государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
Автореферат разослан “ 16
”
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
августа
2013 г.
Г.А. Смоляго
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Ближний Восток является одним из регионов мира с
большими темпами строительства. К сожалению, в некоторых государствах
Арабского мира в настоящее время разрушено значительное количество зданий и сооружений, а часть их нуждаются в ремонте и восстановлении, что
связано, как
с неспокойной политической обстановкой, природноклиматическими условиями, так и с геологическим строением земной коры.
Фибробетон является одним из эффективных строительных материалов,
применяемых для ремонта и реконструкции зданий и сооружений. Дисперсное армирование значительно повышает прочность композита на растяжение
и замедляет образование трещин на всех стадиях формирования его структуры и эксплуатации.
Актульной задачей также является управление процессами структурообразования бетона в условиях жаркого климата. Быстрое испарение влаги из
бетонной смеси может привести к пластической усадке и образованию волосных трещин в бетоне, а последующее охлаждение вызывать растягивающие напряжения.
Существующие методы ухода за бетоном в условиях сухого и жаркого
климата являются не эффективными с точки зрения технологических и экономических показателей. Представляется, что введение туфа определенного
состава и гранулометрии в цементную систему создает изменение баланса
внутренних сил за счет водоудерживающей способности частичек туфа при
перемешивании и формовании с последующим выделением необходимых доз
H2O в процессе твердения бетона, что приводит к уменьшению напряжений в
затвердевшем бетоне и, как следствие, к снижению количества и размера,
образующихся в нѐм микротрещин.
Диссертационная работа выполнена в рамках: тематического плана г/б
НИР №12-Б-7.4211.2012 « Разработка теоретических основ ВКБ нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов»
на 2012-2014гг. и внутривузовского гранта «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012-.2014гг.
Цель работы. Повышение эффективности мелкозернистого фибробетона для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием
сырьевых ресурсов Ближнего Востока.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение сырьевых ресурсов Ближнего Востока и исследование минерального состава и физико-механических свойств туфов месторождения «Tel
Rma» Иордании, как компонента композиционных вяжущих для мелкозернистых бетонов;
- исследование физико-механических и технологических свойств композиционных вяжущих (КВ), полученных с использованием туфа и пластификаторов;
- изучение различных видов армирующих волокон, выявление наиболее
4
эффективных фибр для условий Ближнего Востока и определение их оптимальных дозировок;
- проектирование и изучение свойств высокопрочных составов фибробетонов для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений;
- подготовка нормативных документов и реализация теоретических и
экспериментальных исследований.
Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности
строительных композитов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока, заключающиеся в оптимизации структуры на нано-, микро- и макроуровне мелкозернистых бетонов за счет использования в состове композиционного вяжущего
вулканического туфа, суперпластифкатора и фибры, что позволяет ускорить
процессы восстановления поврежденных зданий и сооружений в Арабских
странах.
Выявлен характер влияния состава, тонкости помола композиционных
вяжущих с использованием вулканического туфа Иордании и суперпластификатора, на процессы структурообразования бетонной смеси в условиях
сухого жаркого климата, который заключается в системе «внутреннего ухода», за счет водоудерживающей способности частичек туфа при перемешивании и формовании с последующим выделением необходимых доз H2O в
процессе твердения бетона. Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как следствие, к уменьшению количества и размеров
микротрещин, что предопределяет повышение эксплуатационных характеристик реконструируемых зданий и сооружений.
Установлен характер влияния состава, структуры и условий эксплуатации мелкозернистых фибробетонов на деформативные свойства композитов,
заключающиеся в использовании волновой фибры, оптимизации размеров и
морфологии частиц цемента и туфов, измельченных в вибромельнице, создании высокоплотной упаковки, что приводит к оптимизации микроструктуры
цементного камня и контактной зоны с фиброй и, как следствие, повышает
предел прочности при сжатии и модуль упругости, соответственно на 38% и
35 %.
Практическое значение работы. Разработаны композиционные вяжущие (КВ) на основе цемента (JOCM Иордании) и туфа месторождения «Tel
Rma» с тонкостью помола 500 м2/кг. Активность КВ почти в два раза больше
обычного цемента, что является целесообразным с экологической и экономической точки зрения.
Выполнены расчеты по усилению несущих железобетонных конструкций начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).
Разработаны составы фибробетонов на основе композиционных вяжущих
с использованием песка и отсева дробления гранита региона Ближнего Востока с пределом прочности при сжатии до 128 МПа, прочности на растяжение при изгибе 35 МПа и модулем упругости до 83x10-3 МПа.
5
Разработана широкая номенклатура фибробетонов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока.
Внедрение результатов исследований. Для внедрения результатов диссертационной работы разработаны технические условия «Фибробетоны мелкозернистые высокопрочные», технологической регламент для произодства
фибробетона и рекомендации по применению композиционного вяжущего.
Внедрение результатов исследований осуществлялось при выполнении восстановительных работ и усилении несущих конструкций начальной
школы в пос. Нахалин (Вифлием).
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в
учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по
направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: областной научно-практической конференции
«Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 2010) ; 68
Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в
строительстве и архитектуре»(Самара, 2011); Международной научнотехнической конфренция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород,
2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные
материалы и технологии ХХ научные чтения»( Белгород 2011) ; Международной практической конференции молодых ученых, БГТУ им. В.Г. Шухова
(Белгород 2012); Международной научно-техническая онлайн конференция
студентов, аспирантов и молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова ( Белгород
2013). Международная научно-практическая конференция "Строительные
технологии и архитектурная эстетика информационного общества" Лондон,
2013.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы изложены в 8 научных публикациях, в том числе 1 статья в центральном рецензируемом издании из перечня ВАК РФ.
На защиту выносятся:
– теоретические и практические аспекты повышения качества композиционных вяжущих с учетом сырьевых ресурсов Ближнего Востока;
– физико-механические и технологические свойства КВ в зависимости
от состава;
– проектирование и подбор составов фибробетона с использованием,
разработанных композиционных вяжущих на основе сырьевых ресурсов
Ближнего Востока;
– результаты изучения влияния различного содержания фибры на свойства бетонов и составы фибробетонов для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений;
– результаты внедрения разработанных составов высокопрочных мелко-
6
зернистых фибробетонов на основе композиционных вяжущих.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 182 страницах текста, включающего 27 таблиц, 57
рисунков, списка литературы из 161 наименований , 5 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Ремонт и реконструкция зданий и сооружений для многих государств
Ближнего Востока является жизненно важной проблемой. Для проведения
ремонтных работ и содержания строительных объектов в соответствии с современными требованиями, необходима разработка и использование ремонтных составов нового поколения. В настоящее время при данных видах работ
используются материалы, которые не могут в полной мере удовлетворять
требованиям по надежности и долговечности строительных конструкций.
Традиционные бетоны имеют недостаточно высокие физико- механические
показатели при изгибе, растяжении и разрыве, кроме того, желательно повысить и деформативность бетона, что возможно за счет использования
фибробетона. Предложенный в работе композит имеет существенно более
высокие показатели: прочность при растяжении, модуль упругости, призменную прочность, истирамость, водопоглешение. Это обеспечивает его высокую технико-экономическую эффективность при применении в строительстве, при ремонте и реконструкции.
Интенсивное развитие строительной индустрии в Арабских странах, в
особенности в странах Арабского залива, способствует росту потребности в
новых экологически чистых строительных материалах с высокими физикомеханическими и технико-экономическими показателями. Важное значение
для Арабских стран, имеет экологическая безопасность жилых и промышленных зданий и сооружений, которая напрямую зависит от качества используемых в строительстве материалов. Неблагоприятное их воздействие на здоровье человека и окружающую среду должно быть минимальным. По данным
«USGBSO» ( Международная организация по Зелѐным зданиям), жилые сооружения в настоящее время потребляют около 30…40 % мировой энергии,
на их строительство затрачивается около 3 млрд. т природных ресурсов.
На сегодняшний день, многие цементные заводы стран Ближного Востока в качестве сырьевой базы для изготовления вяжущих используют шлаки и золы металлургических комбинатов, которые привозят из других регионов мира, эти затраты на их транспортировку значительно отражаются на
увеличении себестоимости цемента. Наиболее эффективным является использование экологически чистого местного сырья такого, как вулканический туф. Туфы положительно влияют на процесс структурообразования бетона в условиях жаркого климата и дают возможность оптимизировать традиционные методы ухода за бетоном, которые используются сегодня во многих странах мира. Предлагаемый новый подход заключается в использовании
композиционных вяжущих на основе туфа, создающих наиболее благоприят-
7
ные условия на ранних стадиях структурообразования и твердения системы.
Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как следствие, к уменьшению количества и размеров микротрещин, что определяет
технико-экономическую эффективность применения КВ на основе туфа для
получения бетонной смеси, применяемой в условиях сухого жаркого климата. Известно, что вулканический туф является гетеропористой горной породой. Поровое пространство данной породы, является весьма сложным по своей форме и состоит из сочетания пор различных размеров (Рисунок.1).
На микрофотографиях отчетливо видно, что в породе преобладают
сверхкапилляры - поры, имеющие диаметр dэф > 10-4 м и капилляры - это
поры с dэф = 10-7..... 10-4 м. Можно также отчетливо увидеть и субкапиллярные
поры (dэф = 2*10-9…1*10-7 м). Именно наличие такого количества пор различных форм и размеров обеспечивает хорошую водоудерживающую способность туфов.
X 20000
X 20000
а
б
Рисунок. 1. Микрофотографии поверхности: а - вулканического туфа;
б - туфового порошка
Вода в породе находится в сложном взаимодействии с ее минеральным
каркасом, границы и соотношения между ними условны и постоянно изменяются: пар; химически связанная вода; физически связанная вода (пленочная и капиллярно-удержанная); свободная или гравитационная вода.
Физически связанная вода (пленочная и капиллярно-удержанная) остается в поровом пространстве туфа благодаря взаимодействию молекул воды с
поверхностью минерального скелета породы, а также в результате влияния
капиллярных сил. Пленочная вода практически целиком заполняет объем
капилляров с радиусом r < 20...30 нм, причем капилляры с радиусом r
<1,5...2,0 нм заполнены в основном прочно связанной водой. Капиллярноудержанная вода характерна для пор, радиус которых составляет 30...500 нм,
а также для углов пор, приуроченных к стыкам между зернами, образующими скелет породы, и тупиковых пор. Капиллярно-удержанная вода по своим
8
свойствам не отличается от свободной. Представляется, что в условиях жаркого климата, когда наблюдается дефицит жидкой фазы в самом бетоне, частички туфа, входящие в состав вяжущего, в процессе твердения будут отдавать запасенную ими капиллярно-удержанную воду, а это приведет к активизации процессов структурообразования и синтезу более плотной однородной
структуры материалов в процессе твердения и эксплуатации бетонов.
С целью получения композиционных вяжущих был проведен комплекс
исследований: на первой стадии были разработаны вяжущие с оптимальным
соотношением цемента и минерального компонента (туфов месторождения
королевства Иордании); далее было подобрана оптимальная дозировка суперпластификатора. Также были проведены исследования влияния тонкости
помола туфа и способа помола сырьевых компонентов на физикомеханические и технологические свойства композиционных вяжущих.
В качестве основного материала для получения КВ был выбран портландцемент Type I 42,5 Н завода JOCM Иордании, соответствующий требованиям
3
ГОСТ 31108-2003 и туф месторождения Иордании ( плотность - 1660 кг/м ,
водопоглощение – 9,53%), в качестве пластифицирующей добавки применяли суперпластификатор ASTM C494 − Type A.
Изучено влияние тонкости помола и различного содержания минеральной добавки - вулканического туфа на физико-механические и технологические свойства вяжущих. С целью изучения влияния различных дозировок
туфа в вяжущие вводили от 5 до 50% туфа с разной удельной поверхностью S=350м2/кг и S=700м2/кг (Таблица. 1).
Полученные результаты свидетельствуют (Таблица
.1), что наилучшими физико-механическими характеристиками обладают
вяжущие с удельной поверхностью цемента 350 м2/кг и туфа 700 м2/кг при
соотношении цемента и туфа, соответственно, 90% : 10% (составы 3а и 3б).
Активность этих вяжущих превосходит показатели предела прочности при
сжатии бездобавочного цемента на 10,2 %, что свидетельствует о техникоэкономической целесообразности использования минеральной добавки –
вулканического туфа, обеспечивая при этом, и экологический эффект. Следует отметить, что нормальная густота этих составов незначительно возрастает за счѐт высокой дисперсности туфового порошка
9
Таблица 1
Свойства вяжущих в зависмости от состава и удельной поверхност
Составы вяжущих
Цемент
туф
Активность вяжущего при сжатии, в возрасте, сут. (МПа)
№№
п/п
Доля в
составе,
%
Удельная
поверхность
м2/кг
Доля в
составе,
%
Удельная
поверхность
м2/кг
В/В
1а
100
320
2а
95
320
-
-
5
350
0.26
0.26
0.27
0.28
0.29
0.31
0,26
0,27
0,28
0,29
0,31
0,33
3а
90
320
10
350
4а
80
320
20
350
5а
70
320
30
350
6а
50
320
50
350
1б
100
020
-
-
2б
95
320
5
700
3б
90
320
10
700
4б
80
320
20
700
5б
70
320
30
700
6б
50
320
50
700
Активность
вяжущего
при изгибе, в
возрасте,
28сут.
(МПа)
Нормальная
густота,
НГ%
Сроки схватывания,
час-мин
начало
конец
3
7
28
23,00
35,00
51,00
7,30
25.6
1-30
2-16
24,20
37,00
52,40
7,48
26.0
1-35
2-18
28,50
39.10
55,30
7,90
27.0
1-45
2-30
19,10
35.20
45.20
6,50
28.0
1-58
2-35
17,20
33.53
39.10
5,60
29.5
1-00
2-40
16,10
28.30
35.46
5,10
00.1
2-10
3-00
23,00
35.00
51,0
7,30
25.6
1-30
2-22
27,30
39.50
54.50
7,81
2700
1-42
2-30
29,50
42.10
56.20
8,00
2800
1-51
2-40
25, 10
40.30
48.40
6,95
29.5
2-08
3-03
20,30
38.53
42.00
6,30
01.0
2-18
3-20
19,70
30.10
37.46
5,35
02.5
2-30
3-35
10
Установлен характер влияния различного содержания минеральной добавки и различной удельной поверхности туфа на физико-механические и
технологические свойства вяжущих и определен оптимальный состав для
дальнейших исследований с соотношением компонентов, %:
цементтуф=90:10. Исследовано
влияние тонкости помола туфа на физикомеханические и технологические свойства вяжущих с различной тонкостью помола цемента и с одинаковым соотношением сырьевых компонентов
(Таблица.2). Полученные результаты свидетельствуют, что с увеличением
тонкости помола туфа при одинаковой удельной поверхности рядовогоцемента(320м2/кг) прочность вяжущего увеличивается, соответственно от 2 до
14,3%.
Таблица 2
Результаты физико-механических испытаний образцов, приготовленных
раздельным помолом
Состав, %
№
п/п
1а
2а
3а
4а
5а
цемен
т
100
90
90
90
90
1б
2б
3б
4б
5б
100
90
90
90
90
1в
2в
3в
4в
5в
100
90
90
90
90
В/В
туф
Тонкость
помола
туфа,
м2/кг
Активность вяжущего при
28
Активность
вяжущего
при изгибе, в
возрасте,
28сут.( МПа)
51,00
52,09
55,40
57,96
58,30
7,31
7,45
7,80
8,28
8,34
70,29
71,25
80,24
81,10
82,20
10,30
10,42
11,46
11,10
11,53
73,10
74,45
83,40
85,10
86,20
10,45
10,64
11,91
12,30
сжатии в возрасте, сут.
(МПа)
3
14
Тонкость помола цемента 320 м2/кг
−
0,26
23,28
35,00
10
0,27
300
24,40
42,30
10
0,28
500
28,17
36,30
10
0,29
900
30,30
40,20
10
0,00
1300
31,40
42,23
Тонкость помола цемента 500 м2/кг
−
0,28
28,20
45,30
10
0,29
300
33,60
48,80
10
0,00
500
40,70
50,80
10
0,03
900
42, 20
53,40
10
0,02
1300
47,20
55,40
Тонкость помола цемента 700 м2/кг
−
0,29
30,30
51,10
10
0,30
300
35,10
53,70
10 0,01
500
40,60
57,20
10
0,02
900
43, 20
60,20
10
0,33
1300
45.00
62,40
12,70
При использовании цемента с удельной поверхностью 500 м2/кг и с увеличе2
нием удельной поверхности туфа с 300, 500, 900, 1300 м /кг отмечается увеличение прочности вяжущего с 2,7 до 16,9%. Вяжущие, приготовленные с ис-
11
пользованием цемента с удельной поверхностью 700 м 2/кг и с туфом с
удельной поверхностью 300, 500, 900, 1300 м 2/кг характеризуются повышением прочности с 3,2 до 17,9 %.
Полученные результаты свидетельствуют, что при высокой удельной
поверхности цемента (700 м2/кг ) и удельной поверхности туфа от 500 до
1300 м2/кг прочность изменяется в незначительных пределах в сравнении с
композиционными вяжущими, на основе цемента с удельной поверхностью
500 м2/кг. Особый интерес в связи с технической реализацией составов
представляет состав вяжущего, полученного при использовании цемента с
удельной поверхностью 500 м2/кг и туфом с соизмеримой удельной поверхностью 500 м2/кг (Рисунок.2). Этот состав является наиболее оптимальным по технико-экономическим показателем: минимальное время помола
при ограниченных энергозатратах и получение вяжущих с максимальными
физико-механическими показателями.
Рисунок. 2. Динамика нарастания прочности вяжущих
с различными удельными поверхностями туфа и цемента
Таким образом, на основании выполненных исследований, анализа
полученных результатов и с учетом технико-экономической целесообразности в дальнейших исследованиях принимаем состав композиционного
вяжущего на основе цемента (500 м2/кг) с использованием в качестве минерального компонента – туфа (500 м2/кг) в количестве 10% объема сырьевой
смеси, имеющий в возрасте 28 сут активность 80,24 МПа.
Установлено, что совместный способ помола при приготовлении композиционного вяжущего более эффективен по сравнению с раздельным помолом и повышает ее активность на 10,5% (показатели активности вяжущего при сжатии (Таблица. 3).
Использование пластифицирующей добавки при приготовлении вяжущих при совместном помоле повышает активность композиционного вяжущего на 8,3% , а по сравнению с раздельным помолом на 15,6%, что позволяет не только экономить клинкер, но и приводит к повышению предела
прочности при сжатии. Состав 3 (Таблица. 3) является оптимальным с содер-
12
жанием: цемента 90%, туфа 10%, пластифицирующей добавки 1%, полученный при совместном помоле в вибрационной мельнице и принят для
дальнейших исследований по разработке фибробетонов для реконструкции
и строительства зданий для районов Ближнего Востока.
Таблица 3
Влияние способа помола и пластификатора на активность вяжущих
Состав, %
добав
ка
Тонкость
помола
м2/кг
10
-
10
10
1%
№
№
п/п
Ц
ту
ф
1
90
2
3
90
90
В/В
Вид
помола
Активность вяжущего
при сжатии в возрасте,
сут.
Активность
вяжущего
при изгибе, в
возрасте,
28сут( МПа)
500
0,00
разд
3
45,20
14
60,40
28
80,30
11,48
500
500
0,28
0,22
совм
совм
48,70
53,20
66,80
74,30
88,70
95,20
13,3
14,7
Анализ рентгенограмм гидратированного портландцемента и гидратированного композиционного вяжущего в возрасте 28 сут. показал, что цемент представлен частично закристаллизованным тоберморитовым гидросиликатом кальция C-S-H (I) - ( d,Å =12,5; 3,07; 1,83), гидросиликатами и гидроалюминами кальция различной
основности и портлантидом Са(ОН) 2
- ( d, Å =4.93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,79; 1,69). у композиционного вяжущего
наблюдается снижение дифракционных максимумов портлантида и наличие
минералов, входящих в состав вулканического туфа. Сравнение рентгенограмм вяжущих, приготовленных из портландцемента и минеральной добавки в одинаковых дозировках, но по различным схемам: совместным помолом
компонентов в вибромельнице и раздельным помолом, а затем механическим смешением компонентов, показало, что совместный помол обеспечивает наилучшие условия для гидратации. Так, при совместном помоле компонентов композиционного вяжущего к 28 суточному возрасту величина интенсивности дифракционных максимумов портлантида ( d,Å =2,63 и 1,93),
становится меньше в 2…2,5 раза, что свидетельствует о создании в системе
более благоприятных условий для взаимодействия и связывания гидроксида
кальция за счет высокой гидратационной активности тонких фракций цемента и механохимически активированного поверхностного слоя минеральной добавки – туфа, что подтверждается результатами физикомеханических испытаний. Структура гидратированного композиционного
вяжущего, полученного при раздельном помоле и последующем смешении
компонентов характеризуется неоднородным составом. Просматривается
наличие пустот, внутри которых отмечается прорастание игольчатых кристаллов длиной до 5 мкм, пронизывающих весь объем материала (Рисунок.3,д, 3,е). Наличие большого количества пустот объясняется худшей механоактивацией и диффузией микрочастиц туфа и вяжущего. Это приводит к
снижению предела прочности при сжатии на 8,4МПа по сравнению с вяжущими, полученными при совместном помол(Рисунок.3,а,3б). Композиционное вяжущее, полученное при совместном помоле с пластифицирующей до-
13
бавкой обладает наиболее однородным плотным строением. В общей массе
продуктов гидратации можно отметить наличие плотных образований вблизи
зерен наполнителя в контактных зонах, которые обеспечивают минимальное
содержанием пор и микротрещин (Рисунок.3в,3г).
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рисунок. 3. Микрофотографии гидратированного вяжущего в возрасте 28
сут.: а) 90% цемента и 10% туфа( совместный помол); б) -90% цемента, 10%
туфа и 1% химическая добавка (совместный помол) ; в) 90% цемент и 10%
туфа (раздельный помол)
Это объясняется спецификой структуры тонкомолотого туфа, позволяющей
активно формироваться новообразованиям за счет использования, запасенной
в порах породы воды, а также способствующей формированию микроструктуры контактных зон и всего камня в целом.
14
Таким образом, результаты исследований показали, что вулканические
туфы Ближнего Востока являются эффективным минеральным компонентом для получения композиционных вяжущих. Установлено, что на основе
вулканических туфов возможно получать композиционные вяжущие в различных помольных агрегатах с достаточно высокими физико-механическими
характеристикам, что позволяет их эффективно использовать для производства фибробетонов, эксплуатируемых в условиях жаркого климата. Проектирование составов фибробетонов производили с целью получения композитов с требуемыми качественными показателями, установленными в проектной документации на изделия или конструкции, при минимальном расходе
цемента и обладающих соответствующими технологическими показателями
подвижности и удобоукладываемости, позволяющих обеспечить получение
в конструкции фибробетона с заданными проектными физикомеханическими характеристиками
. При подборе состава фибробетона в работе использовали разработанное композиционное вяжущее, полученное при совместном помоле цемента
и туфа до удельной поверхности 500 м 2 /кг, в качестве заполнителя был
применен отсев дробления гранита месторождения «Safawi» (Иордания). Для
оптимизации структуры матрицы и получения высокоплотной упаковки зерен заполнителя, в состав бетона был введен песок месторождения «Guwara»
(Иордания). На основании выполненных подборов составов мелкозернистых бетонов был принят оптимальный состав с содержанием компонентов:
отсев дробления гранита - 1125кг/м3; песка - 335кг/ м3; вяжущего - 700кг/ м3,
воды - 175л, при обеспечении В/В= 0,3 ,В работе применяли следующие
разновидности стальных фибр: волнообразную - ФП 15/0,6; анкерную 50/0,8 мм и фрезерованную из листа 50/0,8, соответствующих европейским
стандартом EN 14889-1.
Изучено влияние указанных разновидностей фибр в мелкозернистых бетонах (Таблица. 4) при их различных дозировках в диапазоне от 1 до 4%,
при использовании в качестве вяжущих рядового цемента и разработанного
композиционного вяжущего. Содержание вяжущих, крупного и мелкого заполнителя, а также и водоцементное отношение во всех составах принято
постоянным. Результаты физико-механических испытаний бетонных образцов свидетельствуют, что волновая фибра, введенная в количестве 3%, в
мелкозернистые бетонные смеси, приготовленные на основе портландцемента и композиционного вяжущего, обеспечивает повышение предела прочности при
сжатии, соответственно, и на 31% и на 37,7% призменную прочность на
29,6% и на 35,18%., на растяжение при изгибе 23,12% и на 59,7%.
Невзирая на то, что фрезерная и анкерная фибры дают несколько более
высокие показатели по прочности на изгиб и моделя упругости, дальнейшие
исследования выполнялось с использованием волновой фибры с учетом более технологичного производства и бетонной смеси.
15
Таблица 4
41
Волновая фибра
14,70
1.КВ
2. Ц
1
2375
68
47
16,20
3. Ц
2
2420
72
51
17,30
4. Ц
3
2500
76
53
18,1
5. Ц
4
2240
61
45
15,3
6.Ц
0
2335
58
41
7. Ц
1
2370
65
44,3
16,40
7.КВ
8. Ц
2
2415
70,20
47,10
17,30
9. Ц
3
2500
79,40
55,10
19,1
10. Ц
4
2340
60, 20
43
15,30
Предел
прочностьпри
сжати
R,(М Па)
сут
Призменя
Прочность
R,(МПа).
28сут
58
0
2380
90
65,32
21,60
2.КВ
1
2420
108
78,45
27,80
3. КВ
2
2460
114
83,20
29,40
4. КВ
3
2520
124
88,30
34,50
5. КВ
4
2340
100
75,10
25,10
0
2380
90
65,32
21,60
1
2418
103,20
77,00
25,44
8. КВ
2
2455
109,80
81,40
26,40
9. КВ
3
2516
127,3
90,30
35,40
10. КВ
4
2345
93,20
73,10
22,20
фрезерованная фибра
14,70
6.КВ
Прочностьна
растяжени
R,( МПа).
28 сут
Плотность
Бетона
кг/м3
2335
Про-цент
армирования,%
Плотность
Бетона
кг/м3
0
Призменя
Прочность
R,( МПа)
28сут
Проент
армирования,%
1.Ц
прочность
при сжати
,( МПа)28
сут
№ состава
Прочностьна
растяжения R,(
МПа).28
сут
№ состава
Физико-механические показатели фибробетонов, приготовленных на цементе (Ц) и композиционном вяжущем (КВ)
11.Ц
0
2335
58
41
анкерная фибра
14,70
11.КВ
0
2380
90
65,32
21,60
12. Ц
1
2368
65
44
17,20
12.КВ
1
2415
102,20
76,27
26,30
13. Ц
2
2410
70
45
18,30
13. КВ
2
2450
106,20
80,12
27,70
14. Ц
3
2480
77,40
54, 20
22, 70
14. КВ
3
2510
125,4
88,70
37,31
15. Ц
4
2380
61
43
15,3
15. КВ
4
2343
90,10
70,20
24,20
16
Для бетона, работающего в несущих конструкциях зданий и сооружений,
требуется чтобы достаточная механическая прочность сочеталась с деформационной устойчивостью, т.е. с его способностью противостоять возникновению и развитию необратимых деформаций, или появлению и росту микротрещин. Особенно это относится к регионам Ближнего Востока, так как
данный регион имеет свою специфику при эксплуатации строительных конструкций, заключающуюся в повышенной температуре окружающей среды и
периодически возникающих сейсмических нагрузок, которые типичны для
данной зоны.
Фибробетон, армированный дисперсными волокнами, обладает повышенной трещиностойкостью, прочностью при растяжении, ударной вязкостью,
сопротивлением истираемости и высокими деформативными свойствами.
Именно дисперсное армирования в объеме материала, достаточно близкое
расположение фибр способствуют торможению развития локальных трещин
в бетоне с одновременным повышением его предельной растяжимости и
прочности.
Важным показателем деформативности сталефибробетонов является модуль
деформации - величина непостоянная и существенно зависящая от стадийности работы. При напряжениях, не превышающих предел трещиностойкости,
когда начальная структура сталефибробетона еще не нарушена, зависимость
между напряжениями и деформациями − линейная и характеризуется
начальным модулем упругости. С увеличением нагрузки кривая зависимости
напряжения − деформации искривляется, модуль деформаций сталефибробетона становится переменным(Таблица. 5).
Таблица 5
Деформативные характеристики образцов бетонов с оптимальным
содержанием различных видов волокон
Призменная
№п/п
Вид
вяжущих
Вид фибр
Содержание
фибр,%
Модуль
прочность,
упругости,
Eб.10-3,МПа
36,8
1
Ц
-
-
МПа
41
2
Ц
Волновая
3%
50
44,3
3
Ц
Фрезерованная
3%
54
46,5
4
Ц
Анкерная
3%
51
45,3
5
КВ
-
-
65
61,4
6
КВ
Волновая
3%
88
77,3
7
КВ
Фрезерованная
3%
90
79,6
8
КВ
Анкерная
3%
88
78,0
17
Таким образом, проведенные теоретические и модельные физикомеханические исследования, позволили разработать фибробетоны с композиционными вяжущими и различным дисперсным армированием. Дальнейшие исследования деформативных свойств проводили для фибробетонов
оптимального состава.
2
1) кубиковая прочность
3) модуль упругости
2) призменная прочность
4) прочность при растяжениит на изгиб
Рисунок. 4. Динамика нарастания кубиковой, призменной прочностей, модуля упругости и прочности при растяжении на изгибе оптимальных составов фиробетонов
1)
цемент без фибры,
КВ без фибры; 2)
КВ с 3% волновой фибры; 3)
КВ с 3% фрезерованной фибры; 4)
цемент с 3% волновой фибры,
цемент с 3% фрезерованной фибры,
цемент с 3% анкерной фибры,
КВ с
3% анкерной фибры
Динамика нарастания кубиковой и призменной прочностей, модуля
упругости и прочности на растяжение при изгибе фибробетонов, приготовленных на рядовом цементе и на композиционном вяжущем, армированных
оптимальными дозировками волновой, фрезерованной и анкерной фибр,
приведена на Рисунок. 4. Результаты свидетельствуют, что фрезерованная и
анкерная фибры обеспечивают наибольшие физико-механические показатели. Однако, учитывая то, что волновая фибра обеспечивает наибольшую
18
подвижность бетонной смеси. вследствие незначительной длины фибр, что
является важным технологическим фактором, особенно для ремонта и реконструкции бетонных элементов различных зданий и сооружений в условиях Арабских стран, мы рекомендуем применять волновую фибру.
Разработаны составы фибробетона для различных видов ремонта и реконструкции зданий и сооружений на композиционных вяжущих с использованием 3% волновой фибры. Известно, что введение стальной фибры в бетон позволяет получить материал – сталефибробетон с высокими физикомеханическими и деформативными характеристиками. Для реконструции и
ремонта зданий и сооружений применяется широкий спектр классов бетонов. В зависимости от назначения и использования бетонов в различных
элементах конструкций и специфических условий его эксплуатации, был
разработан номенклатурный ряд составов фибробетонов для разных видов
ремонтных работ.
Дальнейшая оптимизация фибробетонов осуществлялась путем применения зерен с высокоплотной упаковкой. Расчет состава производился по
методу профессора А.Н. Хархардина. Полученные составы имеют марку по
удобокладываемости П3, что полностью соответствует требованиям по удобоукладываемости к бетонным смесям (Таблица. 6), предназначенным для
ремонта и реконструкции зданий и сооружений в зависимости от физикомеханических характеристик бетона.
Высокие прочностные и деформативные характеристики разработанных составов фибробетонов предопределяются нано-, микро и макроструктурой
композитов (Рисунок. 5) и могут рекомендоваться для использования в соответствии с Рисунок. 6.
Исследование микроструктуры образцов фибробетонов, приготовленных на композиционном вяжущем, показало, что в процессе совместной
гидратации цемента и тонкодисперсного туфа наблюдается равномерное
распределение
продуктов гидратации в объеме композита. Отмечается,
что поры и пустоты в образце фибробетона практически отсутствуют, высокая плотность конгломерата обеспечивается за счет использования композиционного вяжущего. Изучая контакную зону цементного камня и армирующего элемента следует отметить плотное обрастание продуктами гидратации
армирующих элементов, что свидетельствует о прочном сцеплении волновой
фибры и композиционного вяжущего
19
Таблица 6
Физико-механические характеристики мелкозеристого фибробетона на основе КВ
Призменная
прочность R,
(МПа) в ворасте 28сут
да,(л)
Добав
бавка*,
кг
Предел
прочности
при сжатии
R,(МПа) в
возрасте
28сут
Прочность
на растяжение при изгибе,(МПа) в
возрасте
28сут
Eб.103,(МПа) в
возрасте .28сут
556
180
1.48
33
25
13
19,2
1470
495
180
2.00
46
35
14
29,2
290
1470
422
180
2.32
54
42
16
40,3
340
1470
410
180
2.64
65
51
19
46,2
395
1430
350
180
2.96
74
58
22
52,1
455
1430
335
180
3.40
84
63
23
53,3
510
1380
330
180
3.84
92
73
25
67,1
565
1320
330
180
4.24
105
80
28
74,1
620
1270
330
180
4.64
115
85
30
79,2
680
1215
325
180
5.08
128
92
35
83,3
Расход
Расход
Расход
КВ,
гранита
кг/м3
кг/м3
песка
кг/м3
1
2
3
185
1470
250
4
5
6
7
8
9
10
Составы
* гиперпластификатора MG320.
Во-
Модуль
упругости
20
а)
в)
б)
г)
Рисунок. 5. Микроструктура фибробетона на основе:
- композиционного вяжущего ( а,б), цемента ЦЕМ I 42,5 Н (в,г)
. При рассмотрении образцов фибробетона, приготовленных на композиционном вяжущем, после испытаний на разрыв, установлено, что армирующие
элементы достаточно прочно остаются в теле образца, что свидетельствует о
высокой адгезии композиционного вяжущего и фибры. На армирующих элементах, выходящих из тела образца отчетливо просматриваются участки и следы
ранее находящегося на них цементного камня, что еще раз свидетельствует о
высоком сцеплении фибры и композиционного вяжущего.
Фибробетон, приготовленный на цементе, в отличие от фибробетона, приготовленного на композиционном вяжущем, имеет менее прочное сцепление
фибры и цемента в контактной зоне, структура самой зоны контакта более рыхлая
и пористая. Образцы фибробетона, приготовленные на цементе, имеют менее
густое зарастание пор и пустот и менее плотное обрастание продуктами гидратации армирующих элементов.
После испытаний образцов фибробетонов на разрыв фибра, находящаяся в
фибробетоне, приготовленном на цементе, заметно отличается от фибры в образцах на основе композиционного вяжущего, так в образцах, приготовленных на
цементе, после испытаний заметны явно выраженные волновые участки, свиде-
21
тельствующие о нарушении сцепления фибры с цементным камнем, что не
наблюдается в фибробетоне на композиционном вяжущем.
Таким образом, предложены принципы повышения эффективности строительных композитов для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием сырьевых ресурсов Ближнего Востока, заключающиеся в оптимизации структуры на нано-, микро- и макроуровне мелкозернистых бетонов за
счет использования в составе композиционного вяжущего вулканического туфа,
суперпластификатора и фибры, что позволяет ускорить процессы восстановления
поврежденных зданий и сооружений в Арабских странах.
Составы фибробетонов в зависмости от областей применения
кв
Составы 8-10
Составы 5-7
Составы 1-4
Гидротехнических
Фермы
стропильныеарки
Балки, ригели. колонны
промышленные
полы
Куполы и
памятники
Плиты железобетонные
сооружений
дорожных
и аэродромных
покрытий
для сейсмических условий
Фундаменты
и основания
Рисунок. 6. Пути использования разработанных составов фибробетонов на основе КВ
С учетом вышеизложенного предложена схема рационального использования фибробетонов широкой номенклатуры в зависимости от области применения: для ремонта гидротехнических сооружений ферм, стропильных арок, балок,
ригелей и колонн и т.д. (Рисунок.6).
Для внедрения результатов диссертационной работы разработан пакет нормативных документов: технические условия «Фибробетоны мелкозернистые высокопрочные», технологической регламент для произодства фибробетона и рекомендации по применению композиционного вяжущего.
Апробация и внедрение результатов исследований осуществлялось при
выполнении восстановительных работ и усилении несущих конструкций
начальной школы в пос. Нахалин (Вифлием).
22
Экономическая эффективность производства и применения полученных высококачественных мелкозернистых фибробетонов на основе композиционных
вяжущих, заключается в снижении себестоимости бетона по сравнению с традиционно применяемым бетоном. Применение высококачественного мелкозернистого фибробетона будет способствовать не только удешевлению строительства,
но и улучшению экологической обстановки региона за счет использования местного сырья и экологически чистого туфа.
`ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Установлен характер влияния процессов структурообразования в бетоной
смеси в условиях жаркого климата, заключающийся « в системе внутреннего ухода», за счет водосодержащей способности частичек туфа, при перемешивании и
формовании, с последующим выделением необходимых доз воды при твердении
бетона. Это приводит к снижению напряжений в твердеющем композите и, как
следствие, к уменьшению количества и размеров микротрещин, что предопределяет повышение эксплуатационных характеристик реконструируемых зданий и
сооружений.
2. Определено оптимальное содержание туфа в цементных вяжущих и влияние тонкости помола туфа на физико-механические и технологические свойства
композиционных вяжущих. Исследовано влияние способа помола сырьевых компонентов и установлено, что наиболее оптимальной дозировкой является 10% ная добавка туфа при совместном помоле до удельной поверхности S=500м 2/кг с
учетом технико-экономической целесообразности.
3. Разработаны композиционные вяжущие на основе цемента и туфа, приготовленные совместным помолом в вибрационной мельнице с удельной поверхностью 500 м2/кг при содержании пластифицирующей добавки в количестве 1%.
Это композиционное вяжущее целесообразно использовать для получения высокопрочных мелкозернистых фибробетонов.
4. Исследование микроструктуры образцов фибробетонов, приготовленных
на композиционном вяжущем, показало, что в процессе совместной гидратации
цемента и тонкодисперсного туфа наблюдается равномерное распределение
продуктов гидратации в объеме композита. Поры и пустоты в образце фибробетона практически отсутствуют, высокая плотность конгломерата обеспечивается
за счет использования эффективного композиционного вяжущего.
5. Установлено, что контакная зона «цементный камень – фибра» характеризуется плотным обрастанием продуктами гидратации армирующих элементов,
что свидетельствует о прочном сцеплении волновой фибры и композиционного
вяжущего. Выявлено, что армирующие элементы достаточно прочно остаются в
теле образца после испытаний на разрыв, что свидетельствует о высокой адгезии
композиционного вяжущего и фибры.
6. Разработаны составы высокопрочных мелкозернистых фибробетонов с
использованием композиционного вяжущего на основе местного сырья, с введением 3% стальной волновой фибры, обладающих высокими деформативными
23
характеристиками, что является эффективным материалом для ремонта и реконструкции зданий и сооружений в регионах с высокой сейсмической активностью
- на Ближнем Востоке .
7. Выполнены расчеты по подбору составов мелкозернистых фибробетонов широкой номенклатуры и предложена схема рационального использования
фибробетонов в зависимости от области применения: для ремонта гидротехнических сооружений ферм, стропильных арок, балок, ригелей и колонн и т.д
8. Для внедрения результатов диссертационной работы разработан пакет
нормативных документов: технические условия «Фибробетоны мелкозернистые
высокопрочные», технологической регламент для произодства фибробетона и
рекомендации по применению композиционного вяжущего.
9. Экономическая эффективность применения полученных высококачественных мелкозернистых фибробетонов заключается в снижении себестоимости
бетонных смесей по сравнению с традиционно применяемыми составами. Применение высококачественного мелкозернистого фибробетона будет способствовать не только удешевлению строительства, но и улучшению экологической обстановки региона за счет использования местного сырья и экологического чистого туфа.
Основные публикации по теме диссертации:
1.Ракитченко, К.С. Разработка высокоэффективных фиброармированных составов
на основе композиционного вяжущего для ремонта и реконструкции зданий и
сооружений / К.С. Ракитченко, С.А. Казлитин, М.Х.И. Шакарна // Традиции и
инновации в строительстве и архитектуре: 68-я Всероссийская науч.-техн. конф.,
Самара 11-15 апреля 2011 года, - Самара 2011,- С. 495-497
2. Шакарна М. Х. // Сырьевые ресурсы, используемые для производства бетона в
Палестине Международная научно-техническая конфренция молодых ученых
БГТУ им. В.Г. Шухова-2011Белгород: Изд-во БГТУ .С34-26.
3. Сопин Д.М.;. Влияние магнитной обработки // Сопин Д.М ; Шакарна. М.Х.И.
,Сегедина А.С на физико-механические свойства фибробетона // Международная
науч-но- техническая конф-ренция моло-дых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород 2011: Изд-во БГТУ,. (5 с).
4. Шакарна М. Х. Процесс структурообразования монолитного фибробетона для
условий Палестины / М. Х. Шакарна, А. С. Бадо // Инновационные материалы и
технологии (XX научные чтения) :. междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 11-12
окт. 2011 г. - Белгород : Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2011. - Ч. 4. - С. 297-301
5. Лесовик В.С Бетон армированный стальной фиброй , / Лесовик В.С ,Чхин С.,
Шакарна. М.Х.И. // Международная практическая конференция молодых ученых. БГТУ им. В.Г. Шухова 2012 Изд-во БГТУ С. 214-219.
6. Шакарна М.Х Композицонные вяжущие с использованаем вулканических
туфов иордании Белгородский государственный технологический университет
24
им. В.Г.Шухова Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2013. №3-С.38-43 ISSN 20717318.
7. Лесовик В.С, «Фибробетон на композиционном вяжущем для ремонта и реконструкции зданий и сооружений в условиях Ближнего Востока » / Лесовик В.С,,
Шакарна М. // Международная научно-техническая онлайн конференция студентов, аспирантов и молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород 2013. Изд-во
БГТУ С. 34-36.
8. Загороднюк Л.Х, «Классификация добавок для армирования мелкодисперсных
компонентов» /Загороднюк Л.Х, Шакарна М, Шекина А.Ю // Международная
научно-практическая конференция "Строительные технологии и архитектурная
эстетика информационного общества" Лондон, 25 апреля - 30 апреля 2013- C.4649.
25
ШАКАРНА Махмуд Хусни Ибрахим
ФИБРОБЕТОН ДЛЯ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ
БЛИЖНЕГО ВОСТОКА
Специальность 05.23.05  Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 05.07.2013. Формат 6084 /16. Усл. Печ. л 1,4.
Уч.-изд. л.1,5. Тираж 100 экз.
Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете
им. В.Г. Шухова.
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
891 Кб
Теги
фибробетоны, использование, ремонт, ближнего, востока, сырьевых, сооружений, реконструкция, здания, ресурсов
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа