Формирование структуры, состава и свойств высокопрочных мелкозернистых бетонов для сборных покрытий автомобильных дорог

На правах рукописи

КРАСНОВ Анатолий Митрофанович

формирование структуры, состава и свойств

ВЫСОКОПРОЧНых МЕЛКОЗЕРНИСТых БЕТОНов

для сборных покрытий автомобильных дорог

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иваново

2010

Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» и ГОУВПО «Марийский государственный технический университет»

Научный консультант	Советник РААСН, доктор технических наук, профессор Акулова Марина Владимировна ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Ядыкина Валентина Васильевна ГОУВПО «Белгородский государственный технический университет им. В.Г. Шухова» доктор технических наук, профессор Чухланов Владимир Юрьевич ГОУВПО «Владимирский государственный университет» доктор химических наук, профессор Шорин Владимир Александрович ГОУВПО «Вологодский государственный технический университет»
Ведущая организация:	ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

Защита состоится 15 октября 2010 г. В 10.00 часов на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.060.01 при Ивановском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 153037, Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, ауд.Г-204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного архитектурно-строительного университета (г.Иваново, ул. 8 Марта, д. 20)

Автореферат разослан « » сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Н.В. Заянчуковская

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Многие регионы России не обеспечены высокопрочными горными породами, щебень из которых служил бы заполнителем для тяжелых цементных бетонов. Республика Марий Эл в частности, располагает только малопрочным известняковым камнем и мелкозернистым кварцевым песком, при использовании которых получают низкопрочный цементный бетон. Транспортирование высокопрочного щебня с Урала, Северного Кавказа или Карелии приводит к значительным транспортным расходам, влияющим на стоимость изделий из тяжелого цементного бетона на крупном заполнителе. Поэтому проблема получения пригодных для строительства дорожных покрытий из материалов на основе мелкозернистого кварцевого песка приобретает важное значение и не теряет своей актуальности в настоящее время.

Разработка технологии долговечного композиционного строительного материала – высоконаполненного высокопрочного мелкозернистого бетона для изготовления строительных изделий, дорожных плит покрытий как дорог общего пользования, так и лесовозных дорог с колейным покрытием – является одним из важных направлений исследований в области дорожного строительства и промышленно-гражданских сооружений.

Обеспечение длительного эксплуатационного режима жестких покрытий из железобетонных плит автодорог связано с исследованием зависимостей основных характеристик их напряженного деформированного состояния от действия расчетных колесных нагрузок движущегося автопоезда, что является актуальным и своевременным при использовании нового материала из высокопрочного мелкозернистого бетона.

Одним из эффективных технологических приемов в формировании высокопрочной структуры составов мелкозернистых бетонов является режим вибровоздействия при уплотнении жесткой цементно-песчаной смеси, что трудно осуществлять без химических добавок. Поэтому разработка комбинированных режимов вибрации, в которых одновременно осуществляются различные по величине амплитуд и частот колебательные процессы для достижения плотной упаковки мелкозернистого заполнителя и цементного геля с наполнителем в структуре мелкозернистого бетона является актуальным. Эксплуатация такого бетона из-за его высокой морозостойкости и долговечности возможна в сложных климатических условиях Севера и Севера-Запада России в соответствии со слоем износа и сохранением геометрии и структурной прочности земляного полотна автомобильной дороги.

Наполнение цементной матрицы микрочастицами из кварцевого песка и дисперсными частицами отходов химической, металлургической и строительной индустрии является наиболее эффективным методом модифицирования составов бетона, способствующим снижению расхода цементного вяжущего при управлении процессом формирования общей структуры мелкозернистого бетона. Одновременно решаются проблемы экологической безопасности.

Целью работы является разработка научных основ формирования структуры, состава и свойств высокопрочных мелкозернистых бетонов высокого наполнения с изучением их физических, физико-механических и физико-технических свойств для получения долговечных покрытий автомобильных дорог.

Задачи:

- определение закономерностей влияния тонкодисперсного наполнителя на формирование структуры мелкозернистых бетонов на цементных и органических вяжущих рациональных составов;

- изучение физических, физико-механических и технических характеристик высоконаполненного мелкозернистого бетона повышенной прочности и долговечности;

- исследование возможности использования полистирольного наполнителя в бетонных конструкциях дорожного покрытия автомобильных дорог с определением основных физических и физико-механических характеристик бетона рационального состава;

- разработка режима виброуплотнения цементно-песчаной смеси для достижения высокой структурной прочности высоконаполненного мелкозернистого бетона;

- разработка состава мелкозернистого песчаного асфальтобетона с повышенным содержанием тонкодисперсного наполнителя и исследование его основных физико-механических характеристик;

- определение усилий в сборных напряженно-деформированных дорожных плитах из высоконаполненного мелкозернистого бетона от подвижных расчетных нагрузок;

- определение экономической эффективности использования высокопрочного мелкозернистого бетона в производстве сборных железобетонных плит покрытия автомобильных дорог.

Методы исследования. Для разработки технологии мелкозернистого бетона использовались нормативные документы, методы математической статистики, математического планирования экспериментов. Для изучения макро и микро структуры бетона применялись методы оптической микроскопии, дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы. Использован прикладной программный пакет “OL PLATE” “Расчет железобетонных фундаментных плит на грунтовом основании”.

Научная новизна работы.

Определены принципы формирования высокопрочной структуры мелкозернистого бетона с использованием кварцевых микрочастиц в качестве наполнителей матрицы в органических и минеральных вяжущих в период управления структурообразованием мелкозернистых бетонов для сборных покрытий автомобильных дорог между физико-химическими и технологическими процессами.

Определены закономерности влияния тонкодисперсного наполнителя на формирование структуры мелкозернистых бетонов на цементных и органических вяжущих.

Исследовано влияние фракционного состава наполнителя на свойства высокопрочного мелкозернистого бетона. Найдено, что наилучшие прочностные характеристики показывает бетон с использованием наполнителя удельной поверхности 450… 500 м 2/кг. Получено максимальное объемное наполнение цементной матрицы дисперсными кварцевыми частицами для уплотненного четырехфракционного кварцевого песка в пределах размеров зерен от 0,63 до 0,14 мм, которое подтверждено математическим расчетом объема пустот. С помощью физико-химических методов анализа определены фазовые составы цементного камня в зоне контакта «цементный камень – заполнитель».

Для активации твердения цементного теста и повышения прочностных свойств бетона предложено вводить в бетонную смесь химические добавки из местных отходов Йошкар-Олинского витаминного и Волжского гидролизного заводов. Введение данных химических добавок в высоконаполненный мелкозернистый бетон повышает его прочностные показатели до 67%..

Для снижения плотности до 1100 кг/м3 и повышения прочности наполненного мелкозернистого легкого бетона предложено ведение в состав наполненного мелкозернистого легкого бетона вторичного сублимативного полистирола.

Дано технико-экономическое обоснование рациональных параметров железобетонных плит колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог из высоконаполненного мелкозернистого бетона при установленных осевых нагрузках и коэффициентах динамичности и перегрузки колес подвижного состава лесовозного автопоезда.

С помощью системы автоматизированного режима по программе «OL PLATE» определены основные параметры напряженно-деформированного состояния железобетонных плит различных конструкций колейного покрытия (отпор грунта, моменты, осадки и размещение арматурных стержней в сечении плиты) при одновременном воздействии как одиночных, так и всех колес многоосевого автотранспортного средства.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Принципы формирования высокопрочной структуры, состава и свойств мелкозернистого бетона с использованием кварцевых микрочастиц в качестве наполнителей матрицы в цементных и органических вяжущих рациональных составов в период управления структурообразованием мелкозернистых бетонов для сборных покрытий автомобильных дорог между физико-химическими и технологическими процессами.
2. Составы мелкозернистого бетона с использованием полистирольного наполнителя в бетонных конструкциях дорожного покрытия автомобильных дорог с определением основных физических и физико-механических характеристик бетона рационального состава.
3. Режимы виброуплотнения цементно-песчаной смеси для достижения высокой структурной прочности высоконаполненного мелкозернистого бетона. Экспериментальная модель вибрационной установки по разночастотному виброуплотнению цементно-песчаной смеси для организаций в бетоне высокой структурной плотности и прочности.
4. Составы мелкозернистого песчаного асфальтобетона с повышенным содержанием тонкодисперсного наполнителя и исследование его основных физико-механических характеристик;
5. Модель усилий в сборных напряженно-деформированных дорожных плитах из высоконаполненного мелкозернистого бетона от подвижных расчетных нагрузок с использованием программы “OL PLATE”.
6. Обоснование экономической целесообразности использования железобетонных плит из высокопрочного мелкозернистого бетона.

Достоверность выполненных исследований. Научные положения, выводы, рекомендации обоснованы теоретическими решениями и строгостью соблюдения методов расчетов и испытаний объектов исследований в соответствии с нормативными документами. Достоверность полученных результатов по определению деформаций и расчетных усилий в элементах плит согласуется с теоретическими принципами линейной зависимости напряжений и деформаций грунтовых оснований.

Практическая значимость.

Предложены составы новых высокопрочных мелкозернистых бетонов из низкосортного сырья с высоким наполнением цементной матрицы дисперсными кварцевыми микрочастицами.

Разработаны составы мелкозернистого бетона с использованием полистирольного наполнителя в бетонных конструкциях дорожного покрытия автомобильных дорог.

Предложены составы высокопрочного бетона с использованием химических добавок - отходов Йошкар-Олинского витаминного и Волжского гидролизного заводов.

Разработаны составы мелкозернистого песчаного асфальтобетона с повышенным содержанием тонкодисперсного наполнителя и исследованы их основные физико-механические характеристики.

Предложены режимы виброуплотнения цементно-песчаной смеси для достижения высокой структурной прочности высоконаполненного мелкозернистого бетона. Разработана модель вибрационной установки по разночастотному виброуплотнению цементно-песчаной смеси для организаций в бетоне высокой структурной плотности и прочности.

Предложено определение наиболее напряженно-деформированного состояния плиты колейного покрытия с использованием программы “OL PLATE”. При определении учитываются – толщина плиты, ее армирование, тип соединения со смежной плитой, изгибающий момент от нагрузки, действующей на базе транспортного средства, реактивное давление грунта основания под плитами. Даны рекомендации по рациональным размерам плит в зависимости от назначения дорожного полотна, условий его эксплуатации и особенностей грунта.

На составы высоконаполненных мелкозернистых бетонов, вибрационную установку получены авторские свидетельства и патенты на изобретение РФ.

Апробация работы. Результаты работ были внедрены в г. Йошкар-Олы (Республика Марий Эл) на ОАО "Стройматериалы", АО "Стройконструкция", ОАО КПД (Комбинат крупнопанельного домостроения), на заводе ОАО "Железобетон". В ГУП "Марийскавтодор" проведено строительство опытного участка площадью 155,4 м2 из асфальтобетона с добавкой отходов производства полистирола, на Йошкар-Олинском КПД выполнены плиты покрытий, уложенные на автомобильной дороге д. Одебеляк - с. Куженер – Параньга.

Методика расчета по «Определению деформации оснований железобетонных плит дорог общего пользования и колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог» внедрена в «Федеральном управлении автомобильных дорог Волго-Вятского региона Министерства транспорта РФ», «Департаменте дорожного хозяйства Республики Марий Эл», ЗАО «Проектном институте Агропроект».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 65 научных работ, в том числе 10 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 11 авторских свидетельств, 6 патентов, 1 учебное пособие, 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка литературы из 333 наименований и приложений. Основной текст изложен на 305 страницах и включает 87 рисунков, 68 таблиц.

В выполнении диссертационной работы автор выражает особую благодарность за ценные советы и предложения академику РААСН, заслуженному деятелю науки РФ, лауреату премии Правительства РФ в области науки и техники, доктору технических наук, профессору Федосову Сергею Викторовичу.

Содержание работы

Во введении сформулированы цели и задачи исследований, обоснована ее актуальность, отмечены научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулирована проблема исследования.

В первой главе рассмотрены технологические схемы и методы получения обычных и мелкозернистых цементных бетонов с их критической оценкой. Для особо жестких бетонных смесей используются вибрационное уплотнение в сочетании с пригрузом и химическими добавками. Одновременно с виброуплотнением бетонной смеси с использованием одного вибровозбудителя велись исследования по применению совмещенных виброорганов: низкочастотной и высокочастотной амплитудой колебаний (В.Н.Шмигальский, Н.В.Михайлов).

Проанализированы составы мелкозернистых бетонов класса прочности В37…60 при расходе портландцемента 350…550 кг/м3 (Н.В.Михайлов, Н.Б.Урьев), в составах которых были использованы до 60 % от массы расхода вяжущего микронаполнителя из свежемолотого кварцевого песка удельной поверхности S=300 м2/кг и домолотый портландцемент S=500 м2/кг. Для уплотнения смеси был взят подрессоренный пригруз. Показано, что формируется единое поле кристаллогидратных фаз с получением с меньшей степенью анизотропии свойств строительного материала (В.И. Соломатов, Л.А. Шейнич).

Анализ показал, что наполнители низкой активности, но высокой дисперсности > S=400м2/кг повышают гидратационную активность цемента, ориентируют избирательный состав новообразований в дефектных структурах кварцевого зерна с момента появления жидкой фазы (В.В. Товаров, А.В. Волженский, Л.Н. Попов, А.Е. Шейкин, Ю.М. Баженов, П.Г. Комохов).

Использование различных модификаторов (МБ – 50С – микрокремнезем + зола уноса+ суперпластификатор С-3 – 43:43:14) в мелкозернистых бетонах способствует получению бетона класса В 80 по литой технологии формования бетона. Однако повышенный расход цемента (497…700 кг/м3) приводит к повышенным деформативным свойствам бетона (С.С.Каприелов), а значительный расход суперпластификатора С-3 может вызвать отрицательный эффект в поздние сроки твердения (В.И. Калашников). Однако рост прочности ЦК, сформировавшегося в период коагуляционно-кристаллической структуры, сопровождается “сбросами” прочности: кристаллизационным давлением, распадом и перекристаллизацией метастабильных твердых фаз, осмотическим давлением.

Представлены результаты исследований таких характеристик мелкозернистых бетонов, как изменение прочности бетона от попеременного водонасыщения и высыхания, степени истираемости ( А.М. Шейнин), морозостойкости (А.Е. Шейкин, Ю.М. Баженов, Г.И. Горчаков, Н.М. Красный, С.В. Евланов, М.Р. Стас, В.П. Сизов и др.), деформации при кратковременном и длительном действии внешней нагрузки – модуля упругости и ползучести (К.И.Львович, К.В.Михайлов, З.Н.Цилосани, Н.В.Свиридов, А.М.Шейнин, Г.Н.Писанко, О.П.Квирикадзе, И.И.Улицкий, А.Ф. Милованов, С.В. Александровский и др.), усадочных деформаций (А.Е.Шейкин, З.Н.Цилосани, Е.П.Фрейсине), стойкости от воздействия высоких температур t=100…400 °С (В.В. Жуков).

Рассмотрены гипотезы о физической природе деформаций и разрушений. Все они прямо или косвенно объяснялись появлением высоких напряжений и разрывами более слабых химических связей в коагуляционных контактах цементного геля гидросиликатов кальция в структуре ЦК (Е.П.Фрейсине, А.Е. Шейкин, О.Я.Берг, А.В. Саталкин, Г. Рюш, Gliklich, С.Н. Журков и др.).

Так же рассмотрены вопросы условия применения покрытий из железобетонных плит на лесовозных автомобильных дорогах и их работоспособность по сравнению с дорогами с гравийным и грунтовым покрытием, а также технология получения и прочностные свойства цементных мелкозернистых бетонов на основе кварцевых песков. Анализ показал, что большие размеры плит приводят к повышенному расходу бетона и арматуры из-за увеличения изгибающих моментов (В.Н. Смирнов, В.В. Савельев, В.К. Курьянов).

Вопросами методов расчета и проектирования железобетонных плит из тяжелых и мелкозернистых бетонов занимались многие ученые: М.И. Горбунов-Посадов, И.А. Симвулиди, Н.П. Пузаревский, А.Н. Крылов, Д.Г. Дутов, Б.Г. Коренев, Б.Н. Жемочкин, О.Я. Шехтер, В.В. Савельев, А.Д. Грязин, Н.Н. Пушкаренко.