Мелкозернистые цементные бетоны ударно-волнового уплотнения

В условиях рыночных отношений и конкурентной борьбы перед наукой и промышленностью с особой остротой встают проблемы разработки и применения новых технологий производства в строительной индустрии, направленных на снижение материалоемкости, повышения качества и долговечности зданий и сооружений.

Для изготовления строительных изделий, конструкций и сооружений применяется бетон — один из древнейших искусственных материалов. Его свойства определяются в равной степени как качественным и количественным составом бетонной смеси, так и технологией ее обработки на всех стадиях процесса формирования структуры камня.

В рамках современной концепции технологии изготовления бетонов, основанной на синергетическом подходе, особое значение приобретает теоретическое и экспериментальное обоснование характеристик отдельных (особенно вновь предлагаемых) детерминантов при одновременном и согласованном действии на вещество совокупности энергий. Работа посвящена вопросам оптимизации структуры бетонов по ударно-волновой технологии (УВТ) уплотнения бетонных смесей и исследованиям свойств бетонов, полученных после уплотнения на ударно-волновом газодинамическом устройстве (УВГУ), работающем на принципе детонации (быстром горении) газообразных компонентов топливных смесей, а также исследованиям структуры контактной зоны зерна заполнителя в бетоне методом сканирующей зондовой микроскопии.

Получившие в последние годы известность работы, связанные с применением литых смесей, не снимают с повестки дня проблемы оптимизации технологии уплотнения бетонов на жестких смесях как в условиях монолитного строительства, так и в условиях заводского производства. В частности, технологический инструмент, позволяющий максимально уплотнить систему путем перекомпоновки и создания динамического и статического компрессионных воздействий на смесь, не исключает, а в ряде случаев дополняет, применение пластифицирующих модификаторов, мелкозернистых добавок (например, зол уноса ТЭЦ), толкомолотых смешанных вяжущих. Такой подход по совмещению технологических приемов, позволяет не только снизить пористость, но и ускорить твердение, а в перспективе отказаться от тепловой обработки.

Актуальность работы.

Для мелкозернистых цементных бетонов, получающих в последнее время все более широкое применение, задача оптимизации упаковки компонентов, направленная, в частности, на улучшение наиболее слабого звена бетона — контактную зону цементного камня с заполнителем и соответственно повышения, в первую очередь, прочностных характеристик и плотности бетонов из жестких смесей, а также улучшения других показателей и снижения расхода вяжущего, до настоящего времени окончательно не решена и остается актуальной.

Актуальность проблемы оптимизации упаковки компонентов при уплотнении (особенно для жестких смесей) непосредственно связана с решением проблемы создания или использования таких источников силового воздействия, которые могут достаточно просто варьировать в широких пределах амплитудно-частотные характеристики, воздействующие избирательно на компоненты уплотняемой бетонной смеси и одновременно минимизирующие энергозатраты за счет направленной концентрации полезно используемой энергии.

Известные способы получения поличастотного спектра воздействия основаны на использовании группы локально действующих генераторов с относительным смещением фазы волн и поэтому имеют кинематически сложные конструкции, что служит препятствием для их использования. Большинство из них, как вибрационных, так и ударных работает по фиксированным амплитудно-частотным режимам. Эффективность воздействия, как правило, оценивается по обобщенным характеристикам (ускорение, амплитуда, длительность) без учета спектральных составляющих и коэффициентов фильтрации уплотняемого объекта, что приводит зачастую к существенной недооценке возможностей источника воздействия при уплотнении. При таком подходе не использовались непараметрические методы исследования, в частности методы спектрального анализа. В связи со сказанным, разработка и применение методов анализа по спектральным составляющим сигнала входа и выхода для материаловедческих задач также представляется достаточно актуальной.

Цель и задачи.

Целью работы является улучшение и оптимизация свойств мелкозер-нис1ых бетонов путем активизация уплотнения жестких или малоподвижных бетонных смесей на цементном вяжущем.

В основу работы положена следующая гипотеза: при уплотнении силовыми воздействиями бетонной смеси для получения бетонов повышенной прочности при уплотнении необходимо обеспечив переориентацию часшц, преодолеть силы сухого и вязкого трения и обеспечить доуплотнение и активизацию механо-химических изменений контактной зоны цементного камня и заполнителя, что может быть обеспечено избирательностью дейавия на компоненты приложенного воздействия в процессе уплотнения.

Дляэюго потребовалось решить следующие задачи:

— изучить пути формирования свойств бетонов, в первую очередь прочности и плотносш, при уплотнении бетонных смесей и обосновать модель уплотнения при внешних фазово-частошых воздействиях;

— разработав теоретические основы ударно-волновой технологии уплотнения бетонов,.

— исследовать технологические возможности для уплотнения бетонных смесей ударно-волнового газодинамического устройства (УВГУ) детонаци-онною типа и исследовать влияние режимов ударно-волновых воздейспзий на свойства мелкозернистого цементного бетона;

— оценить методом спектрального анализа механизм и эффективность импульсного воздействия и усыновить корреляционную зависимость: «прирост прочностикоэффициент фильтрации — частота импульсов» ;

— исследовать свойства беюнов по прочности, плотности и деформативным свойствам, полученных уплотнением на УВГУ;

— исследован^ и оценить кинетику процессов 1идратации методами рентгеносфуктурного и термографического анализа и контактную зону заполнитель-матрица методом сканирующей зондовой микроскопии при УВТ уплотнении;

— исследовать свойства бетонных изделий — тротуарных плит из мелкозернистых бетонов УВТ уплотнения, выпущенных в промышленных условиях по прочности, плотности, морозостойкости, водонепроницаемости, водо-поглощению и истираемости.

— выполнить технико-экономическую оценку эффективности применения мелкозернистых беюнов втехноло1ии производстватро1уарных плите применением УВТ уплотнения, разработать предложения по конструктивным схемам исполнения УВГУ.

Научная новизна.

Показано, что для направленной компоновки составляющих жестких или малоподвижных мелкозернистых беюнных смесей при упло1 нении под действием внешних фазо-часготных иа очников целесообразно в модели принять три процесса при уплощении — перекомпоновка, сближение, компрессионное сжатие.

Предложена ударно-волновая технология уплотнения беюнных смесей с широким спектром технологических параметров и разработаны ее основные теоретические положения с применением ударно-волновых газодинамических установок детонационного типа, исследовано влияние режимов ударно-волновых воздействий на изменения прочностных свойств, плотности бетонов и контактной зоны зерно-матрица.

Для оптимизации режимов уплотнения впервые апробирован и рекомендован метод спектрального анализа для материаловедческих задач. При уплотнении импульсным ударно-волновым воздействием получены корреляционные зависимости функций отклика по приросту прочности бетонов при уплотнении импульсным ударно-волновым воздействием.

Экспериментально доказана принципиальная возможность применения для уплотнения бетонов установок УВГУ, действующих на эффекте преобразования тепловой энергии, выделяемой при быстром сгорании порций газовой топливной смеси, в механическую импульсно-волновую энергию.

Установлено, что для уплотнения, характеризующегося в тремя процессами, требуется изменение параметров импульса воздействия (собственных частот и частоты импульса) с учетом коэффициентов фильтрации объекта, характеризующих избирательность действия.

Для мелкозернистых цементных бетонов из жестких смесей, уплотненных по ударно-волновой технологии исследованы прочностные и деформационные свойства бетонов, контактная зона зерно-матрица методом сканирующей зондовой микроскопии, проведены дифференциально-термический и рентге-ноструктурный анализы кинетики гидратации портландцемента и его составляющих.

Показано, что применительно к мелкозернистым бетонам, полученных по ударно-волновой технологии, прочностные свойства исследованных бетонов и контактная зона зерно-матрица, характеризуются существенно улучшенными показателями.

Практическая значимость.

Разработаны теоретические основы и экспериментально апробирована технология уплотнения для мелкозернистых цементных бетонов с применением установок УВГУ детонационного типа.

Установлено, что импульсное ударно-волновое воздействие УВГУ обладает избирательностью воздействия на компоненты при уплотнении бетонных смесей, что улучшает прочностные и другие характеристики бетона.

Разработаны рекомендации по применению и методология по назначению режимов для уплотнения, направленных на снижение энергетических затрат при формовании изделий из жестких бетонных смесей.

Предложена серия конструктивных решений УВГУ для уплотнения бетонной смеси при изготовлении строительных конструкций.

Публикации и апробация работы.

Результаты работы изложены и опубликованы в работах:

1. Зеленов К. И. Научно-техническая оценка технологии уплотнения мелкозернистых бетонов на УВГУ. Журнал «Технология бетонов», № 6, 2006, с.58−59.

2. Зеленов К. И., Усов Б. А. и др. Формирование структуры бетонов при ударно-волновом воздействии Материалы Четвертой международной научно-практическая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», Ростов-на-Дону, РГСУ, — 2006, т. 1, с. 191 -196.

3. Зеленов К. И. и др. Пути формирования структуры бетонов в ударно-волновой газодинамической технологии уплотнения. Научные труды П Всероссийской (Международной) конференция «Бетон и железобетон — пути развития». Rilem, НТО Строителей России, М. — 2005, т. 3, с. 305−311.

4. Зеленов К. И., Усов Б. А., Зеленов И. Б. Ударно-волновая газодинамическая технология уплотнения бетонов. Материалы Третьей международной научно-практическая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», Ростов-на-Дону, РГСУ, — 2004, т.1, с. 199−206.

5. Зеленов К. И., Попов JT.H. Импульсно-частотная ударно-волновая технология обработки и уплотнения бетонных смесей. Журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», № 5, 2002, с.28−29.

6. Зеленов К. И., Усов Б. А. Концепция импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей. Журнал «Бетон и железобетон», № 2, 2002 г.

7. Зеленов К. И., Бахтин Б. И. и др. Технология импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей. Сб. статей МГОУ «Механика разрушения», Изд. «Истек», М.: 1999, с.95−106, ISBN 586 923−008-Х.

8. Зеленов К. И., Бахтин Б. И. и др. Ударно-волновые технологии (УВТ). Часть 1 — Использование УВТ в строительной индустрии. Аналитическая записка. Unifid Technology Corporation, 1999 (Analytical note «ShocK Wave Technology (SWT), Part 1»).

Основные результаты доложены на конференциях:

— Четвертая международная научно-практическая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячилетии». М-во образования и науки РФ, Ростовский государственный строительный университет, Российская Академия архитектуры и строительных наук, Ростов-на-Дону, -2006.

— П Всероссийская (Международная) конференция «Бетон и железобетон-пути развития». Rilem, НТО Строителей России, М. — 2005.

— Третья международная научно-практическая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячилетии». М-во образования и науки РФ, Ростовский государственный строительный университет, Российская Академия архитектуры и строительных наук, Ростов-на-Дону, -2004.

По теме диссертации получены патенты на изобретения (прил. 1):

1. Патент РФ № 2 164 204. МПК (7)В 28 В 1/04. Ударно-волновой способ обработки конгломератных сред при формировании искусственных строительных материалов / Зеленов К. И., Усов Б. А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 8.2001.

2. Патент РФ № 2 169 073. МПК (7)В 28 В 1/08. Ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонных объектов с пустотами / Зеленов К. И., Усов Б. А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 17. 2001.

3. Патент РФ № 2 163 543. МПК (7)В 28 В 1/10. Клиновая ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонов / Зеленов К. И., Усов Б. А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 6. 2001.

4. Патент РФ № 2 160 663. МПК (7)В 28 В 1/04 / Поверхностный ударно-волновой газодинамический виброуплотнитель для формования бетонных объектов / Зеленов К. И., Усов Б. А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 5. 2000.

Внедрение результатов.

Результаты проведенных исследований были апробированы в 2005 году на предприятии Очаковский завод ЖБИ ОАО «ДСК № 2» и на предприятии ООО «СтройПрестиж» в 2006 году. Получены акты испытаний тротуарных плит по трем партиям с общим объемом 6200 изделий, изготовленных на технологической линии по производству тротуарных плит на ООО «СтройПрестиж» с использованием УВГУ для уплотнения (прил.2).