КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА і АРХІТЕКТУРИ
РАКША Людмила Володимирівна
УДК 691.3:691.5
ЛУЖНІ БЕТОНИ З ПІДВИЩЕНИМИ
ДЕМПФУЮЧИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ
05.23.05 – Будівельні матеріали і вироби
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі будівельних матеріалів та в Державному НДІ в’яжучих речовин та матеріалів ім. В.Д.Глуховського Київського державного технічного університету будівництва і архітектури
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Кривенко Павло Васильович,
Київський національний університет будівництва і архітектури,
завідуючий кафедрою будівельних матеріалів
Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор
Саницький Мирослав Андрійович,
кафедра хімічної технології в’яжучих речовин
Державного університету “Львівська політехніка”,
професор
– кандидат технічних наук,
Тимкович Василь Юрійович, СП “Архісан”,
м. Київ, директор
Провідна установа – Донбаська державна академія будівництва і архітектури,
Міносвіти України, м. Макіївка
Захист відбудеться “_29_” вересня” 1999 р. о 13оо год на засіданні спеціалізованої ради Д 26.056.05 “Будівельні матеріали та вироби. Основи та фундаменти” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 252037, м.Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 252037, м.Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.
Автореферат розісланий “27” _серпня_ 1999р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н. Бродко О.А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Будівництво відчуває велику потребу в матеріалах не тільки стійких до дії динамічних навантажень, але й здатних в значній мірі “гасити” їх вплив. Використання таких матеріалів підвищує надійність та довговічність будівельних об’єктів.
Зв’язок роботи з науковими темами. Робота виконувалась відповідно держбюд-жетних тем Міносвіти України 3ДБ-93 “Розробка вібростійких шлаколужних компо-зиційних матеріалів” та 5 ДБ-96 “Розробити наукові основи синтезу неорганічних зв’я-зуючих із заданими властивостями в системі Ме2О-МеО-Ме2О3 -SiO2 -H2O”.
Метою роботи є розробка композиційних матеріалів з підвищеними демпфуючими властивостями та вібровитривалістю на основі в’яжучих системи Na2О-CaО-Al2О3 -SiO2 -H2 O.
Для вирішення поставленої мети необхідно вирішити слідуючі задачі:
– дослідити вплив складу та структури новоутворень в’яжучих системи Na2О-CaО-Al2О3-SiO2 -H2O на демпфуючі властивості;
– встановити основні закономірності зміни демпфуючих властивостей в’яжучих системи Na2О-CaО-Al2О3-SiO2 -H2O в залежності від характеру порової структури;
– розробити оптимальні склади бетонів на основі в’яжучих системи Na2О-CaО-Al2О3-SiO2-H2O з підвищеними демпфуючими властивостями та вібровитривалістю;
– розробити технологію одержання композиційних матеріалів з високими демп-фуючими властивостями та вібровитривалістю;
– провести практичне випробування розроблених складів композиційних мате-ріалів з підвищеними демпфуючими властивостями та вібровитривалістю в промисло-вих умовах та визначити їх техніко-економічну ефективність.
Наукова новизна одержаних результатів:
– теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість одержання композиційних матеріалів з підвищеними демпфуючими властивостями в системі Na2О-CaО-Al2О3-SiO2 -H2O за рахунок направленого синтезу в складі продуктів гідратації низькоосновних гідросилікатів кальцію та цеолітоподібних новоутворень групи фожазиту, які створюють міцний кристалізаційний каркас та забезпечують гасіння напружень за рахунок води, що міститься в їх порах та каналах;
– встановлено основні закономірності змінення демпфуючих властивостей від фазового складу продуктів гідратації та від характеру порової структури штучного каменю для прогнозування заданих властивостей лужних бетонів;
– встановлено основні критерії стабільності демпфуючих властивостей лужних бетонів на основі в’яжучих системи Na2О-CaО-Al2О3-SiO2 -H2O;
– одержано матеріали з підвищеними демпфуючими властивостями за рахунок модифікування лужних в’яжучих добавками органічних полімерів (латекс СКС-65ГП);
– встановлено основні принципи композиційної побудови бетонів на основі лужних в’яжучих з підвищеними демпфуючими властивостями та вібровитривалістю.
Практичне значення одержаних результатів :
– запропоновано склади та вивчені властивості лужних в’яжучих та бетонів на їх основі, які мають високі демпфуючі властивості та вібровитривалість, що дозволяє відмовитись від конструктивних мір захисту споруджень від циклічних навантажень при збереженні їх довговічності та надійності;
– розроблено основи технології одержання таких матеріалів.
Реалізація роботи у промисловості. Композиційні матеріали з підвищеними демпфуючими властивостями та вібровитривалістю були використані при виготов-ленні фундаментів під віброобладнання на заводі ЗБВ N135 Міноборони України та на експериментальній базі інституту “Київбудпроект”. Економічний ефект від впро-вадження 1 м3 бетону на основі в’яжучого з підвищеними демпфуючими властивостями склав 4,35 грн.
За результатами дослідно-промислового впровадження розроблено і затвер-
джено ТР 16403272-29-95 “Технологічний регламент на виготовлення вібростійких шлаколужних композиційних матеріалів”.
Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, впровадженні результатів роботи у вироб-ництво.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: 54, 55, 56, 57-й науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів КНУБА, (Київ, 1993-1996р.р.). Науково-практичному семінарі “Будівельні матеріали, вироби і конструкції із спеціальними експлуатаційними властивостями ” (Київ, РДНТП, 1993р.), I та ІІ Міжнародних конференціях “Лужні цементи і бетони” (Київ, 1994 та 1999 рр.), VII Міжнародній науково-практичній конфереції ” Прогресивні технології і конструкції в будівництві” (Санкт-Петербург, 1995р.), Міжнародній конференції “Структура, міцність і руйнування композиційних будівельних матеріалів та конструкцій” (Одеса, 1996р.), Міжнародній конференції з захисту навколишнього середовища (м. Данді, Шотландія, 1996 р.), Міжнародному симпозиумі з сучасного розвитку бетону та технології бетону ( м. Наньджинь, Китай, 1995 р.).
Публікації . За темою дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, у тому числі 3 публікації у науукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 150 сторінках друкованого тексту і складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, переліку використаної літератури з 167 найменувань, 4 додатків і містить 19 таблиць і 22 рисунки.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність дисертації, сформульована основна мета та задачі досліджень, перераховані найбільш важливі положення, закономірності, які одержані автором та мають наукову та практичну цінність.
У першому розділі на основі аналізу відомих праць Б.Г. Скрамтаєва, О.Е. Шейкіна, О.О. Гвоздєва, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, І.М. Грушко, П.Г. Комохова, В.Н. Вирового, Г.С. Писаренко та ін. показано, що до основних вимог, які пред’являють до матеріалів, що підпадають під довготривалі циклічні динамічні навантаження, відносяться: висока міцність при стиску, згині та розтягу, тріщиностійкість, високий модуль пружності, постійність розмірів в процесі експлуатації, високі віброгасячі (демпфуючі) властивості, довговічність, недефіцит-ність сировнинних матеріалів.
На теперішній час для таких матеріалів використовують переважно портландцементні бетони, оскільки, ці матеріали мають широку сировинну базу, технологічність, віброгасячі властивості, які перевищують аналогічні показники у металів. Однак, їх використання обмежене їз-за порівняно невисоких показників міцності та модуля пружності, високих деформацій усадки.
Враховуючи комплекс високих фізико-механічних властивостей лужних цемен-тів, їх слід розглядати як альтернативу портландцементу.
На базі лужних сполучень В.Д. Глуховським був створений цілий клас лужних та лужно-лужноземельних в’яжучих та матеріалів, що класифікуються за фазовим складом основних новоутворень.
Відповідно класифікації, яка розвинута П.В.Кривенко, до першого класу відносяться лужні алюмосилікатні зв’язуючі, основними структуроутворюючими сполученнями котрих служать лужні гідроалюмосилікати типу цеолітів та, які базуються на сполученнях лужних металів та глинах різних структурних типів.
Однак, особливістю таких зв’язуючих є повільний набір міцності в ранній термін тверднення.
До другого класу відносяться шлаколужні в’яжучі, основними структуроутво-рюючими елементами котрих є низькоосновні гідросилікати кальцію, а додатковими – лужні гідроалюмосилікати типу цеолітів, аналогічні природним мінералам та, які базуються на сполученнях лужних металів та алюмосилікатних компонентах, що пред-ставлені гранульованими доменними, нейтральними, кислими, електротермофосфорними шлаками.
Такі в’яжучі характеризуються термінами тужавлення, що регулюються, шви-дким набором міцності в ранні терміни тужавлення та високими фізико-механічними властивостями (в тому числі зносо- та тріщиностійкістю та ін.). Однак, в силу того, що основними структуроутворюючими елементами цих в’яжучих служать низькоосновні гідросилікати кальцію, в їх структурі на стадії раннього структуроутворення відбу-ваються деструктивні процеси, які визивають падіння міцності при згині, а також значні усадочні деформації.
Роботами вчених школи В.Д. Глуховського встановлена можливість направ-леного синтезу новоутворень із заданим вмістом гелевих та кристалічних фаз, цео-літоподібних новоутворень, а також направленого формування порової структури штучного каменю, що дозволяє розробити матеріал з демпфуючими властивостями, які регулюються.
Аналіз інформації в області досліджень релаксаційних властивостей в’яжучих різної природи, а також дані про властивості низькоосновних гідросилікатів кальцію та цеолітоподібних новооутворень дозволяють висунути наукову гіпотезу про мож-ливість створення комбінованих в’яжучих з підвищеними демпфуючими властиво-стями та вібровитривалістю в системі Na2O-СаО-Al2O3-SiO2-H2O за рахунок направ-леного синтезу в складі продуктів тверднення як низькоосновних гідросилікатів каль-цію, що забезпечують підвищення міцностних та пружних властивостей системи, так і цеолітоподібних новоутворень групи фожазиту, які вирізняються великою кількістю води у порах та відіграють роль гасителів (демпферів) внутрішніх напружень, а також створюють міцний кристалізаційний каркас, що перешкоджає розвитку мікротріщин.
У другому розділі наведені характеристики сировинних матеріалів, необхідних для виготовлення комбінованих в’яжучих на основі шлаколужного в’яжучого (ШЛВ) (ДСТУ Б.В. 2.7-25-95) та лужного алюмосилікатного зв’язуючого (ЛАЗ) (ТУ УВ. 2.7-16403272.001-97 “Зв’язуюче лужне алюмосилікатне”).
В якості алюмосилікатної складової ШЛВ використовували доменні грану-льовані шлаки Запорізького (Мо =1.13) та Маріупольського (Мо=1.09) металургійних комбінатів.
Основний алюмосилікатний компонент дисперсної фази ЛАЗ представлений метакаоліном, одержаним при дегідратації (Т=760оС) просянівського каоліну.
Одержання комбінованих в’яжучих здійснювали шляхом змішування лужного алюмосилікатного зв’язуючого зі шлаколужним в’яжучим.
В якості основного компоненту дисперсійного середовища використовували розчини силікату натрію розчинного з силікатним модулем Мс=1.0; 1.9; 2.8 та густиною 1300-1400 кг/м3.
Алюмосилікатне зв’язуюче готували при слідуючому співвідношенні компоне-нтів: (Me2O) / (Al2O3) =1; (SiO2 ) / (Al2O3)= 4; (H2O) / (Al2 O3)= 10; 17.5; 25, де Me2O – (Na 2O + K2O).
Направлене регулювання порової структури здійснювали шляхом модифіку-вання композицій, що вивчаються, полімерними домішками: латексу СКС 65-ГП або емульсії петролатуму.
Склад новоутворень вивчали за допомогою комплексу фізико-хімічних методів досліджень, які включали РФА, ДТА, ІЧС.
Демпфуючі властивості в’яжучих та дрібнозернистих бетонів оцінювали за вели-чиною логарифмічного декременту загасання (ЛДЗ), а бетонів на крупному заповню-вачі – за величиною умовного часу реверберації (УЧР).
Випробування вібровитривалості зразків проводили на вібростенді ВЕДС-100 Б, який забезпечує частоту коливань від 30 до 400 Гц. Кількість коливань, необхідних для випробувань на вібровитривалість задавали в діапазоні (2…10) • 107.
У третьому розділі представлено фізико-хімічне обгрунтування процесів фор-мування структури лужних цементів, які обумовлюють демпфуючі властивості штуч-ного каменю.
Аналіз основних теоретичних положень при встановленні взаємозв’язку між структурою, міцністю та вібровитривалістю бетонів, які зазнають дії динамічних наван-тажень, показав, що визначальним при оптимізації демпфуючих властивостей мате-ріалу є управління його мікроструктурою за рахунок направленого синтезу новоут-ворень, представлених як низькоосновними гідросилікатами кальцію, а саме тобер-моритового гелю, так і лужними гідроалюмосилікатами типу цеолітів, які містять у полостях каркасу значну кількість води.
З метою встановлення взаємозв’язку між фазовим складом продуктів тверднення і демпфуючими властивостями лужних цементів досліджували комбіновані в’яжучі, в яких співвідношення між ШЛВ та ЛАЗ варіювали в межах: 75: 25%; 50 : 50%; 25 : 75%.
В зв’язку з тим, що швидкість кристалізації лужних гідроалюмосилікатів типу цеолітів значно менше порівняно з низькоосновними гідросилікатами кальцію, вони фіксуються на рентгенограмах тільки з плином часу. Тому, для визначення фазового складу продуктів тверднення таких систем у часі використовували тверднення про-тягом 8, 250 та 650 год в умовах тепловологої обробки (ТВО).
Відповідно даним рентгенофазового аналізу склад продуктів тверднення ком-бінованих в’яжучих представлений низькоосновними гідросилікатами кальцію типу СSН (В) (d= 0.307; 0.280; 0.240; 0.183 нм), ксонотлітом (d= 0.365, 0.329; 0.307; 0.204; 0.171 нм), натрій-кальцієвим гідросилікатом складу NaCa2 Si3O8 OH (d= 0.273;0.333; 0.390 нм); натрій – кальцієвим гідросилікатом складу гмелініту (Na 2 ,Ca)[Al 2 Si 4 O8 ] 6H2O (d=0.314; 0.289; 0.254 нм); анальцимом (d= 0.462; 0.343; 0.292; 0.269; 0.250 нм) та фожазитом Na2 O Al2O3 (2-6) SiO2 (8-12) H2O (d = 0.74; 0.439; 0.254 нм) (рис.1 (а-в ).
Відомо, що присутність води у порах штучного каменю сприяє покращенню демпфуючих властивостей.
Присутність в складі продуктів тверднення низькоосновних гідросилікатів каль-цію типу СSН, відповідно за Т.М.Петровою та П.Г. Комоховим, дозволяє посилити пружнопластичні властивості штучного каменю, зменшити його крихкість за рахунок утворення еластичної просторової структури, що сприяє зниженню величини внутрішніх напружень в об’ємі зразку та створює сприятливі умови для гасіння коливань.
Однак, кристалізація низькоосновних гідросилікатів кальцію з причини виси-хання гелю, обумовленого вилученням адсорбційної води, може знизити стабільність демпфуючих властивостей у часі.
В той же час, присутні в складі новоутворень лужні гідроалюмосилікати групи фожазиту, які мають в порах та каналах велику (до 30 молекул) кількість води, також є відповідальними за стабільність демпфуючих властивостей.
За даними ДТА (рис.2 (a-в) ), для комбінованого в’яжучого складу 75-25% (ШЛВ-ЛАЗ), в якому кількість низькоосновних гідросилікатів значно більша ніж лужних гідроалюмосилікатів групи фожазиту, кількість адсорбційної води складає 47.72%, а цеолітної води – 20.45%. Оскільки адсорбційна вода вилучається значно раніше цеолітної, то з часом стабільність демпфуючих властивостей буде залежати від кількості цеолітної води. Очевидно, що 20.45% цеолітної води не достатньо для того, щоб забезпечити стабільність демпфуючих властивостей в цій системі. Тому, у комбінованих в’яжучих складу 75-25% (ШЛВ-ЛАЗ) спостерігається тенденція зниження демпфуючих властивостей у часі, що характерно для шлаколужних в’яжучих. ЛДЗ в’яжучих такого складу склав 0.040 (порівняно з 0.042 – на ранніх стадіях структуро-утворення).
Дослідженнями встановлено, що для складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ), в якому кіль-кість низькоосновних гідросилікатів кальцію та гідроалюмосилікатів групи фожазиту практично однакові, кількість адсорбційної води складає 33.3%, а цеолітної – 37%. При такому співвідношенні адсорбційної та цеолітної води комбіновані в’яжучі, дослі-джуваного складу, мають високі демпфучі властивості, стабільні у часі. ЛДЗ в’яжучого складу 50-50% склав 0.043 (на ранніх стадіях структуроутворення ЛДЗ = 0.044).
Для в’яжучих складу 25-75% , тобто, коли кількість цеолітоподібних новоутво-рень групи фожазиту значно перевищує кількість низькоосновних гідросилікатів каль-цію, кількість адсорбційної води складає 29.7%, а цеолітної – 44.4%. Така кількість цеолітної води забезпечує високі демпфуючі властивості, стабільні у часі (ЛДЗ=0.044).
Таким чином, аналіз одержаних даних з точки зору фізико-хімічних процесів формування штучного каменю з високими демпфуючими властивостями показує, що висока, порівняно з шлаколужними, демпфуюча здатність та стабільність цих власти-востей у часі в комбінованих в’яжучих досягається за рахунок направленого синтезу в складі продуктів тверднення як низькоосновних гідросилікатів кальцію типу СSН (В), так і цеолітоподібних новоутворень групи фожазиту (гмелініт, фожазит), які присутні
Рис. 1 Рентгенограми комбінованих в’яжучих складів: 75-25% (а), 50-50% (б),
25-75% (в) в системі “шлаколужне в’яжуче – лужне алюмосилікатне зв’язуюче” після тепловологої обробки протягом: 1- 8 год; 2- 250 год; 3- 650 год.
Рис. 2 Термограми комбінованих в’яжучих складів: 75-25% (а), 50-50% (б),
25-75% (в) в системі “шлаколужне в’яжуче – лужне алюмосилікатне зв’язуюче” після тепловологої обробки протягом: 1- 8 год; 2- 250 год; 3- 650 год.
в рівних кількостях, що досягається при оптимальному співвідношенні між ШЛВ та ЛАЗ – 50-50%.
Результати порівняльних характеристик порової структури комбінованих в’я-жучих складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ) та шлаколужних в’яжучих показує, що значення загальної та гелевої пористості у комбінованого в’яжучого перевищують аналогічні показники для шлаколужного в’яжучого. Однак, якщо різниця між значеннями загальної пористості незначна (43.9 проти 42.9), то різниця в значеннях гелевої пористості складає 3.5- 4% (19.0% – у комбінованого в’яжучого та 15.7% – у ШЛВ). Капілярна пористість у комбінованого в’яжучого на 2-3% нижче, ніж у шлаколужного в’яжучого, а коефіцієнт внутрішньої пористості в 1.05 -1.08 раза вищий.
Аналіз розподілу пор за розмірами показує, що основна різниця порових хара-ктеристик для складу на основі комбінованого в’яжучого та шлаколужного в’яжучого лежить в області пор з радіусом 3-20 нм.
Велику роль при формуванні загального рівня пор відіграє заповненість капі-лярних пор полімером, оскільки їх високий рівень в’язкого тертя сприяє швидкому загасанню коливань.
Для комбінованих в’яжучих складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ) характерна щільна регу-лярна структура на макро- та мікрорівнях. Про це свідчить близьке співпадання зна-чень середнього радіусу, одержаного сорбційним методом (13 нм) та методом капіляр-ного просочення (9.5 нм).
Розмір гелевих пор комбінованого в’яжучого, модифікованого полімером (латексом або емульсією петролатума) характеризується близьким значенням розмі-ру пор до складу на основі комбінованого в’яжучого складу 50-50% (ШЛВ – ЛАЗ), тому воно має близьке значення rср (24 та 26 нм, відповідно).
Аналіз диференційних кривих розподілу пор за розмірами комбінованого в’яжу-чого з домішкою латексу в кількості 2.5% або емульсії петролатуму в кількості 2.0% показує, що для нього характерна відносно помірна функція розподілу пор за розмі-рами. Різниця між складом на основі комбінованого в’яжучого з домішкою латексу та комбінованого в’яжучого без домішки проявляється в області пор з радіусами більше 15 нм. В складі на основі комбінованого в’яжучого з домішкою латексу пор такого діаметру в три рази менше, ніж у складу на основі комбінованого в’яжучого без домішки. Такі склади мають високі показники ЛДЗ (ЛДЗ=0.052).
В силу того, що при русі до поверхні зразку, вода, яка сорбується на часточках полімеру, захоплює їх за собою, відбувається оклюзія пор полімером, котрий заку-порює їх і, тому, перешкоджає руху води. Подальше обезвожування матеріалу можливо шляхом дифузії через плівку полімеру, що дуже важко. Непроникна плівка, яка утворюється навкруги гелевої пори, срияє уповільненому росту кристалів, що призводить до збільшення демпфуючих властивостей у модифікованих складів порівняно з контрольним складом на основі комбінованого в’яжучого.
Таким чином, модифікація комбінованого в’яжучого складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ) домішкою полімеру (латекс, емульсія петролатуму) дозволяє направлено регулювати порову структуру в сторону збільшення кількості гелевих пор і самих малих капіля-рних радіусом до 10 нм, а також зменшенню в 3 рази пор радіусом більше 15 нм. Такі зміни в поровій структурі комбінованих в’яжучих сприяють росту демпфуючих властивостей (ЛДЗ=0.052).
Четвертий розділ присв’ячений розробці складів та дослідженню властивостей бетонів на основі комбінованих в’яжучих з підвищеними демпфуючими властивостя-ми.
Порівняльний аналіз технологічних характеристик комбінованих в’яжучих та шлаколужних показав, що при однаковому розчинно-твердому відношенні (Р/Т) в комбінованих в’яжучих термін тужавлення в 1.2-1.5 рази подовжується порівняно з шлаколужними, тобто, така система є більш технологічною.
Оптимальний склад комбінованого в’яжучого ( кількість ЛАЗ, відношення оксидів
Н2 О/Al2 O3 в складі ЛАЗ та силікатний модуль рідкого скла) з максимальними параметрами границі міцності при стиску та логарифмічного декременту загасання був встановлений за допомогою трьохфакторного трьохрівневого методу планування експерименту.
Аналіз експериментальних даних спільно з результатами математичної обробки та іх графічною інтерпретацією дозволяє оцінити вплив факторів, що дослі-джуються, на границю міцності при стиску та логарифмічний декремент затухань. З усіх розглянутих факторів, найбільш впливає склад в’яжучого (ШЛВ-ЛАЗ). Найбільш стабільними показниками ЛДЗ (0.043-0.044) з плином часу (ТВО та подаль-ше тверднення 28 діб в нормальних умовах) і високими фізико-механічними власти-востями (65 МПа – після пропарювання, 95 МПа- на 28 діб) відрізняються зразки на основі комбінованих в’яжучих складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ), у котрих відношення Н2О / Al2О3 в складі ЛАЗ складає 17.5, а силікатний модуль рідкого скла дорівнює 1.9. При зміщенні цього відношення у сторону збільшення ЛАЗ до 75% у складі комбінованого в’яжучого, показники ЛДЗ підвищуються до 0.044- 0.045, а показники міцності знижуються до 65-70 МПа. Якщо співвідношення між ШЛВ і ЛАЗ зміщено у сторону збільшення ШЛВ до 75%, то показники ЛДЗ в такому разі знижуються до 0.041-0.042.
Для вивчення впливу домішки полімеру та розчинно-твердого відношення на фізико-механічні і демпфуючі властивості комбінованих в’яжучих (оптимальний склад 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ) ) був вибраний трьохрівневий двохфакторний план постановки експерименту. При цьому кількість домішки полімеру змінювали в межах 0 – 5% – для латексу і 1-3% – для емульсії петролатуму, а розчинно-тверде відношення змінюва-ли від 0.36 до 0.4.
Аналіз одержаних результатів, а також їх графічна інтерпретація дозволяють відмітити, що більш високою демпфуючою здатністю відрізняються комбіновані в’яжучі, модифіковані домішкою латексу. Максимальна кількість добавки латексу в комбінованому в’яжучому не повинна перевищувати 2.5%, а розчинно-тверде відно-шення – 0.37 – 0.38, оскільки, при цьому досягаються високі показники ЛДЗ (0.052), які приблизно в 1.3 рази перевищують ЛДЗ немодифікованих комбінованих в’яжучих, а також границі міцності при стиску (76 МПа), при згині (8.6 МПа). Зменшення кількості добавки латексу до 1 – 1.5% або збільшення до 5%, а також зменшення розчинно-твердого відношення до 0.36 приводить до зниження ЛДЗ і показників міцності.
Таким чином, визначений оптимальний склад комбінованого в’яжучого з підвищеними та стабільними у часі демпфуючими властивостями, а саме: співвідношення (ШЛВ-ЛАЗ)- 50-50%, кількість домішки латексу- 2.5% , відношення Н2 О / Al2 О3 у складі ЛАЗ – 17.5, силікатний модуль рідкого скла – 1.9, розчинно-тверде відношення 0.37-0.38, котрий забезпечує одержання в’яжучих (одразу після ТВО) з високими фізико-механічними (границя міцності при стиску – 76МПа, при згині 8.6 МПа) і демпфуючими властивостями (ЛДЗ=0.052).
Встановлені фізико-хімічні закономірності та принципи формування високих і стабільних у часі демпфуючих властивостей комбінованих в’яжучих були використані для одержання бетонів на їх основі.
Досліджено вплив різних по природі заповнювачів і їх крупність на демпфуючі властивості бетону.
В якості заповнювачів використовували кварцевий пісок (Мкр =2.4) з ЛДЗ=0.005, гранітний відсів (Мкр =2.8) з ЛДЗ=0.007 та вапняковий відсів (Мкр=2.4) з ЛДЗ=0.009, які підлягали розсіву на стандартних ситах для розсіву піску: 2.5; 1.25; 0.63; 0.315; 0.16 мм.
Аналіз одержаних результатів дозволяє зробити висновок, що в якості запов-нювачів для бетонів, які працюють під дією динамічних навантажень доцільно викори-стовувати кварцевий пісок фракцій 0.16…2.5 мм, бо при цьому забезпечується висока однорідність бетону та високі показники границі міцності при стиску (79.6 МПа).
Вивчені показники міцності бетонів (склад 1:3) на основі комбінованих в’яжучих, модифікованих домішкою латексу за різних умов тверднення (після ТВО з наступним твердненням в нормальних умовах або, що тверднуть в нормальних умовах) і їх стабільність у часі.
Одержані результати показують, що показники міцності бетонів, які пройшли ТВО з наступним твердненням в нормальних умовах на 10 – 11% вище аналогічних показників у бетонів, що тверднули в нормальних умовах і складають на 28 добу (границя міцності при стиску 85 МПа і при згині 7.5 МПа та 72 МПа і 6.5 МПа, відповідно). Стабілізація показників міцності у таких бетонів наступає на 120-180 добу.
Дослідження тріщиностійкості та динамічного модуля пружності бетонів на основі комбінованих в’яжучих, модифікованих домішкою латексу показали, що тріщіноутворення у таких бетонів наступає значно пізніше, ніж у бетонів без домішки, а коефіцієнт розм’якшення дорівнює 0.93, що дозволяє використовувати такі бетони в умовах з підвищеною вологістю середовища. Динамічний модуль пружності таких бетонів складає 2.02 104 МПа.
Деформативні властивості (лінійні деформації усадки та набухання) бетонів визначали при зберіганні зразків у повітряно – сухих умовах та у воді протягом 360 діб.
Відповідно результатам досліджень показники усадки у бетонів на основі ком-бінованих в’яжучих, модифікованих добавкою латексу в 1.7…1.8 разів нижче порівняно з зразками бетонів на основі шлаколужних в’яжучих з добавкою латексу та без добавки і складає 0.5 мм/м. Стабілізація усадочних деформацій наступає на 60-70 добу. У порівнянні з бетоном без добавки на основі комбінованого в’яжучого, усадочні деформації досліджуваного складу суттєво не змінюються (0.5 мм/м порівняно з 0.45 мм/м). Стабілізація розширення в досліджуваних складах відбувається на 60-70 добу, а вели-чина розширення складає 0.4 мм/м, що в 1.5…1.6 рази нижче порівняно з контрольними складами бетонів на основі шлаколужних в’яжучих без добавки і з добавкою латексу та суттєво не відрізняється від показників складів на основі немодифікованих комбінованих в’яжучих (0.4 мм/м порівняно з 0.38 мм/м).
Демпфуючі властивості бетонів вивчали на складах 1:3 і 1:2.5:4. Для бетонів на дрібному заповнювачі демпфуючі властивості оцінювали за ЛДЗ, а для бетонів на крупному заповнювачі – за умовним часом реверберації (УЧР). Демпфуючі властивості бетонів на основі комбінованих в’яжучих, які оцінювали за ЛДЗ, склав 0.048 – 0.050, при цьому з часом демпфуючі властивості збільшуються в 1.2 рази, а умовний час реверберації складає 920 мкс.
З метою встановлення впливу удобоукладаємості бетонної суміші на демп-фуючі властивості та вібровитривалість бетонів використовували бетонні суміші з ОК=2…4 см та ОК=12…14 см. При цьому було встановлено, що чим менша рухливість бетонної суміші, тим вище коефіцієнт вібровитривалості (для суміші з ОК=2…4 см коефіцієнт вібровитривалості (Кв ) склав 0.90…0.99, а при ОК= 12…14 см – 0.85 – 0.95.
Вібровитривалість складів бетонів (1:2.5:4) на основі комбінованих в’яжучих з підвищеними демпфуючими властивостями без привантаження та з привантаженням (0.4Rпр ) складає (2…10)107 циклів, що на порядок вище показників вібровитрива-лості, характерних для бетонів , які використовуються у будівництві (106 циклів) та дозволяє рекомендувати їх для машинобудування. Зниження вібровитривалості зразків при випробуванні з привантаженням на 6 – 8% вказує на высоку здатність таких бетонів чинити опір дії циклічних навантажень в умовах експлуатації.
Основні характеристики розроблених складів бетонів та аналогів порівняння представлені в таблиці 1.
Таблица 1
Основні характеристики бетонів з демпфуючими властивостями на основі в’яжучих різних складів
Показники Одиниця
виміру Бетони:
портландцемент-ний полімер-бетон шлако-лужний розроб-лений
Міцність при стиску МПа 50-60 100-150 100-150 98-105
Міцність при згині МПа 5-6 15-25 10-15 7-10
Модуль пружності при стиску , х104 МПа 1.8 1.5-4.2 1.96 2.02
Деформації усадки мм/м 1.0 0.8 1.2 0.5
Логарифмічний декремент загасання 0.02-0.03 0.04-0.06 0.03-0.04 0.04-0.05
Вібровитривалість циклів 106 107 107 (2-10)107
Розроблені склади бетонів відповідають вимогам, які пред’вляють до бетонів, що працюють під дією динамічних навантажень та, крім того, відрізняються перевагою порівняно з аналогами: розроблений бетон на основі комбінованих в’яжучих має стабільні у часі демпфуючі властивості, вібровитривалий, має низькі деформації усадки, тріщиностійкий.
У п’ятому розділі представлені результати дослідно-промислового впровадження розроблених складів композиційних матеріалів з підвищеними демпфу-ючими властивостями, які були використані при виготовленні фундаментів під вібро-обладнання на заводі ЗБВ N135 (м. Київ) і на експериментальній базі Київського ПІКТІ, що дозволило підвищити термін служби конструкцій в 1.5…3 рази. Економіч-ний ефект від впровадження запропонованого матеріалу ( при розрахунку лише собівартості матеріалів на 1 м3 ) складає 4,35грн.
За результатами дослідно-промислового впровадження композиційних матері-алів з підвищеними демпфуючими властивостями розроблений та затверджений ТР 16403272-29-95 “Технологічний регламент на виготовлення вібростійких шлаколужних композиційних матеріалів”.
ВИСНОВКИ
1. Встановлена принципова можливість одержання мінералоподібного штучного каменю з високими та стабільними у часі демпфуючими властивостями на основі комбінованих в’яжучих, які складаються з шлаколужного в’яжучого та лужного алюмосилікатного зв’язуючого, що забезпечують формування структури, котра характеризується заданим складом новоутворень, вмістом адсорбційної та цеолітної води та заданою пористістю.
2. Досліджено вплив фізико-хімічних процесів формування структури комбінованих в’яжучих на демпфуючі властивості штучного каменю. Показано, що підвищення демпфуючих властивостей та стабілізація їх у часі обумовлені направленим синтезом у складі продуктів тверднення як низькоосновних гідросилікатів кальцію, так і лужних гідроалюмосиліктів групи фожазиту, які містять велику (до 30 молекул) кількість води.
Встановлено оптимальне співвідношення між низькоосновними гідросиліиката-ми кальцію та лужними гідроалюмосилікатами групи фожазиту, яке обумовлює однакове відношення між адсорбційною та цеолітною водою (33.3% и 37.0%, відповідно), що характерно для складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ).
3. Встановлений взаємозв’язок між поровою структурою комбінованих в’яжучих та демпфуючими властивостями штучного каменю. Показано, що модифікація комбінованого в’яжучого складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ) добавкою полімеру (латекс, емульсія петролатуму) дозволяє направлено регулювати порову структуру в сторону збільшення кількості гелевих пор та самих дрібних капілярних пор з радіусом до 10 нм, а також зменшення пор радіусом більше 15 нм. Такий характер порової структури визначає високі демпфуючі властивості комбінованих в’яжучих (ЛДЗ=0.052), що в 1.3 рази вище аналогічних показників у шлаколужних в’яжучих, модифікованих добавкою полімеру і в 1.8 разів вище ЛДЗ немодифікованих шлаколужних в’яжучих.
4. Встановлені основні критерії стабільності демпфуючих властивостей комбінованих в’яжучих: направлений синтез в складі продуктів тверднення лужних гідроалюмосилікатів групи фожазиту, які забезпечують наявність цеолітної води у кількості до 40% та направлене регулювання порової структури в сторону збільшення кількості гелевих та мікрокапілярних пор.
5. Розроблені склади та досліджені фізико-механічні та демпфуючі властивості бетонів на основі комбінованих в’яжучих. Показано, что найбільш стабільними демпфуючими властивостями (ЛДЗ=0.043-0.044) та високими технологічними (термін тужавлення: початок тужавлення – 0.25 хв, кінець – 0.45 хв) та фізико-механічними властивостями (95 МПа) відрізняються комбіновані в’яжучі складу 50-50% (ШЛВ-ЛАЗ) на основі рідкого скла з силікатним модулем Мс – 1.9, у котрих співвідношення Н2 О / Al2O3 у складі ЛАЗ складае 17.5.
6. Здійснена оптимізація складів бетонів на основі комбінованих в’яжучих моди-фікуванням полімерними домішками. Встановлено, що максимальну демпфуючу здат-ність (ЛДЗ=0.052) мають склади на основі комбінованих в’яжучих складу 50-50%, які модифіковані латексом в кількості 2.5%.
7. Досліджено вплив виду та крупності заповнювача на фізико-механічні та демпфуючі властивості бетонів на основі комбінованих в’яжучих. Встановлено, що демпфуючі властивості бетонів підвищуються із зменшенням крупності запов-нювача (до 0.16…0.32 мм) та підвищенням ЛДЗ матеріалу заповнювача. Показано, що для бетонів з підвищеними демпфуючими властивостями в якості заповнювачів доцільно використовувати кварцевий пісок фракцій 0.63…2.5, так як бетони на такому заповнювачі за своїми фізико-механічними властивостями в найбільшій мірі відповідають вимогам, які пред’являють до бетонів, що працюють під дією динамічних навантажень.
8. Досліджені фізико-механічні властивості бетонів оптимального складу на основі комбінованих в’яжучих, що відрізняються підвищеними демпфруючими властивостями. Показано, що при оптимальному співвідношенні компонентів в комбінованому в’яжучому (50-50% – ШЛВ-ЛАЗ), яке модифіковане добавкою латексу в кількості 2.5% можна одержати бетон, який має такі характеристики: міцність при стиску на 28 добу – 85 МПа; міцність при згині на 28 добу – 7.8 МПа, ЛДЗ= 0.048 – 0.052; УЧР= 920 – 910 мкс; усадка – 0.5 мм/м; коефіцієнт розм’якшення – 0.95, динамічний модуль пружності – 2.02 104 МПа, вібровитривалість з привантаженням та без првантаження складає не менше (2…10) 107 циклів.
Досліджено вплив удобоукладаємості бетонної суміші на основі комбінованих в’яжучих з підвищеними демпфуючими властивостями на демпфуючі властивості і вібровитривалість бетонів. Встановлено, що з підвищенням удобоукладаємості до (ОК=10 – 12 см) демпфуючі властивості зростають в 1.05 рази.
9. Здійснено промислове випробування композиційних матеріалів з підвищени-ми демпфуючими властивостями на заводі ЗБВ N135 Міноборони України і на експериментальній базі Київського ПІКТІ. Термін служби фундаментів збільшився у 3 рази.
Економічний ефект від впровадження 1 м3 бетону складає 4,35 грн і досягається за рахунок відмови від необхідності проведення конструктивних мір захисту бетону (гумових або дерев’яних прокладок і т.п.).
10. За результатами досліджень розроблений та затверджений ТР 16403272-29-95 “Технологічний регламент на виготовлення вібростійких шлаколужних композиційних матеріалів”.
Основні положення дисертації викладені в працях:
1. Ракша Л.В. Взаимосвязь процессов структурообразования щелочных вяжущих и демпфирующих свойств мскусственного камня: Сб. науч. тр. “Строительные конструкции, строительные материалы, инженерные системы, экологические проблемы”,ОГАСА.-Одесса: Город мастеров, 1998.-С.-98-101.
2. Кривенко П.В., Ракша Л.В. Вибровыносливость шлакощелочных бетонов // Композиційні матеріали для будівництва.- Макіївка: ДДАБА.-1999.-N2(16).-С.3-5.
3. Ракша Л.В. Модифіковані шлаколужні бетони з підвищеними демпфувальними властивостями // Вісник Вінницького політехнічного інституту.- Вінниця: УНІВЕРСУМ- Вінниця, 1999.-N2(23).-С.37-40.
4. Кривенко П.В., Клименко В.А., Ракша В.А., Ракша Л.В. Демпфирующие свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов // Строительные материалы, изделия и конструкции со специальными эксплуатационными свойствами, 28 – 29 сентября 1993 г., Киев. – 1993.- С.32.
5. L. Raksha, V. Raksha Latex Modified Alkaline Binders and Concrete // Alkaline Cements and Concretes: Proc. 1st Int. Conf.- Kiev: VIPOL, 1994. V.I.- P. 601-610.
6. P. Krivenko, V. Raksha, L. Raksha Special Concretes With Increased Damping Properties.//International Symposium on New Development in Concrete Science and Technology.- Nanjing ( China).-1995.- P. 120 – 126.
7. Кривенко П.В., Ракша В.А., Ракша Л.В. Шлакощелочные композиты с повышенными демпфирующими свойствами // Труды 7-ой Международной конференции “Прогрессивные технологии и конструкции в строительстве”, Санкт-Петербург.- 1995.- С.55.
8. Ракша Л.В. Структура и демпфирующие свойства полимер-шлакощелочных бетонов // Труды Междун. конф.” Структура, прочность и разрушение композиционных строительных материалов”, Одесса.- 1995.- С.68-69.
9. Кривенко П.В., Ракша В.А., Ракша Л.В. Демпфирующие свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов // Труды Междун. конф.” Развитие технической химии на Украине”, Харьков.- 1995.- С. 218 – 219.
10. P.Krivenko, V.Raksha, L.Raksha Slag Alkaline Polymer Cement Concrete // International Congress “Concrete in the Service of Mankind” .- Dundee (Scotland).- 1996.-Р.309-314.
11. L.Raksha Damping Resistance and Vibration Endurance of Alkaline Concretes // Proc. II Int. Conf. “Alkaline Cements and Concretes”. – Kyiv: ORANTA Ltd., 1999.- P.159-167.
АНОТАЦІЯ
Ракша Л.В. Лужні бетони з підвищеними демпфуючими властивостями.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. Київський національний університет будівництва та архітектури, Київ, 1998.
В роботі теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість одержання матеріалів з підвищеними демпфуючими властивостями в системі
Na2O-CaO-Al2O3-SiO2-H2O за рахунок направленого синтезу як низькоосновних гідросилікатів кальцію, так і цеолітоподібних новоутворень групи фожазиту, які відрізняються великим вмістом води в порах та грають роль демпферів внутрішніх напружень. Визначені оптимальні склади та досліджені фізико-механічні і спеціальні властивості комбінованих в’яжучих та бетонів на їх основі з підвищеними демпфуючими властивостями та вібровитривалістю. Розроблені основи технології одержання запрпонованих матеріалів. Результати роботи реалізовані в умовах промислового виробництва.
Ключові слова: лужні в’яжучі системи, комбіновані в’яжучі, цеолітоподібні новоутворення групи фожазиту, демпфуючі властивості, логарифмічний декремент загасання, вібровитривалість.
АННОТАЦИЯ
Ракша Л.В. Щелочные бетоны с повышенными демпфирующими свойствами.- Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 1998.
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию щелочных бетонов с повышенными демпфирующими свойствами. В работе установлена принципиальная возможность получения минералоподобного искусственного камня на основе вяжущих системы Na2O-CaO-Al2O3-SiO2-H2O (далее комбинированные вяжущие)., состоящих из шлакощелочного вяжущего и щелочного алюмосиликатного связующего, которые обеспечивают формирование структуры, характеризуемой заданным составом новообразований, содержанием адсорбционной и цеолитной воды и заданной пористостью.
Исследовано влияние физико-механических процессов формирования структуры комбинированных вяжущих на демпфирующие свойства искусственного камня. Показано, что повышение демпфирующих свойств и стабилизация их во времени обусловлены как направленным синтезом в составе продуктов твердкения низкоосновных гидросиликатов кальция, так и щелочных гидроалюмосиликатов группы фожазита, содержащих большое (до 30 молекул) количество воды.
Установлено оптимальное соотношение между низкоосновными гидросиликатами кальция и щелочными гидроалюмосиликатами группы фожазита, которое обусловливает соотношение между адсорбционной и цеолитной водой 33.3% к 37%, соответственно, что характерно для состава 50-50% (ШЩВ-ЩАС).
Установлена взаимосвязь между поровой структурой комбинированных вяжущих и демпфирующими свойствами искусственного камня. Плказано, что модификация комбинированного вяжущего состава 50-50% (ШЩВ-ЩАС) добавкой полимера (латекс, эмульсия петролатума) позволяет направленно регулировать поровую структуру в сторону уменьшения количкества гелевых пор радиусом до 10 нм, а также уменьшения пор радиусом более 15 нм. Такой характер поровой структуры определяет высокие демпфирующие совйства комбинированных вяжущих (ЛДЗ=0.052), что в 1.3 раза выше аналогичных показателей у шлакощелочных вяжущих, модифицированных добавкой полимера и в 1.8 раз выше ЛДЗ немодифицированных шлакощелочных вяжущих.
Установлены основные критерии стабильности демпфирующих свойств комбинированных вяжущих: направленный синтех в составе продуктов твердения щелочных гидроалюмосиликатов группы фожазита, обспечивающих наличие цеолитной воды в количестве до 40%, и направленное регулирование поровой структуры в сторону увеличения количества гелевых и микрокапиллярных пор.
Разработаны составы и исследованы физико-механические и демпфирующие свойства бетонов на основе комбинированных вяжущих.
Осуществлена оптимизация составов бетонов на основе комбинированных вяжущих модифицированных полимерными добавками. Установлено, что максимальной демпфирующей способностью (ЛДЗ=07048-0.052) обладают составы на основе комбинированных вяжущих состава 50-50%, модифицированных латексом в количестве 2.5%.
Исследованы физико-механические свойства бетонов оптимального состава с повышенными демпфирующими свойствами. Показано, что при соотношении компонентов в комбинированном вяжущем (50-50%- ШЩВ-ЩАС), модифицированном добавкой латекса в количестве 2.5% можна получить бетонос такими характеристиками на 28 сут: прочность при сжатии – 85 Мпа; прочность на изгиб – 7.8 Мпа; ЛДЗ=0.048-0.052; условное время реверберации (УВР)-920-910 мкс); усадка 0.5 мм/м; коэффициент размягчения- 0.95; динамический модуль упругости-2.02104 Мпа, вибровыносливость с нагрузкой и без нагрузки составляет не менее (2…10)107 циклов.
Разработаны основы технологии получения предложенных материалов. Результаты реализованы в условиях промышленного производства.
Ключевые слова: щелочные вяжущие системы, комбинированные вяжущие, цеолитоподобные новообразования группы фожазита, демпфирующие свойства, лога-рифмический декремент затухания, вибровыносливость.
ANNOTATION
Raksha L.V. Alkaline concretes with enhanced damping properties. – Manuscript.
Ph.D. Thesis in the speciality 05.23.05 Building Materials and Articles. Kiev National University of Construction and Architecture, Kiev, 1998.
The research substantiates theoretically and in practice the possibility of producing the materials with enhanced damping properties in a system Na2 O-CaO-Al2 O3- SiO2 -H2O due to directed synthesis of both low basic calcium silicate hydrates (CSH), and zeolite-like new-formation of faujasite group, which are to possess a great quantities of water in pores and to play as dampfers of the inner stresses. The optimal formulation developed of the combined binders and concretes made with them have been studied. These concretes were found to fueature the enhanced damping properties and vibration-resistance. The bases of manufacturing technology for the developed materials have been elaborated. The results of research are put on commercial scale.
Key words: alkaline cementitious systems, combined binders, zeolite-like new-formations of faujasite group, damping properties, logarithmic decrement of damping, vibration-resistance.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
