Композиційні матеріали на неорганічних в’яжучих, що використовуються методом ін’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях будівель

Фесенко, Владислав Віталійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6072
Title:	Композиційні матеріали на неорганічних в’яжучих, що використовуються методом ін’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях будівель
Authors:	Денисенко, Юрій Миколайович Фесенко, Владислав Віталійович
Keywords:	композиційні матеріали;неорганічні в ’яжучі;ін’єктування;пошкодження;залізобетонна поверхня;будівля
Issue Date:	Jan-2024
Abstract:	Кваліфікаційна робота присвячена аналізу та обґрунтуванню виробництва та застосування композиційних матеріалів на неорганічних в ’яжучих, що використовуються методом ін’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях будівель. Проаналізовано історію проблеми по темі кваліфікаційної роботи магістра. Проаналізовано дослідження виробництва та отримання складів розчинів з заданими експлуатаційними характеристиками з різними типами доміш ок на основі неорганічних в ’яжучих речовин. Виконано аналіз дослідження виконання робіт для усунення пошкоджень, що виникли в процесі експлуатації будівлі та внаслідок військової агресії росії. Виявлені оптимальні варіанти для збільшення довговічності будівель.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6072
Appears in Collections:	192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Магістерська робота Фесенко В.В. МГБ-204.pdf Restricted Access		3.9 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
М іністерство освіти і науки України 
Черкаський державний технологічний університет 
Ф акультет технологій, будівництва та раціонального природокористування 
Кафедра промислового та цивільного будівництва
«ДО ЗАХИСТУ ДОПУСТИТИ» 
Завідувач кафедри ПЦБ 
_______________ Сергій ПРЯНИК
січня 2024 р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
магістр
(о с в іт н ій  ст у п ін ь )
на тему «Композиційні матеріали на неорганічних в ’яжучих, що 
використовуються методом ін ’єктування для усунення пошкоджень в 
залізобетонних поверхнях будівель»_____________________________________
(найменування теми)
Виконав: здобувач вищої освіти _2 курсу, групи МГБ-204
спеціальності 192 - Будівництво та цивільна інженерія, 
освітня програма «Промислове і цивільне будівництво»
__________________  Ф есенко В.В.
(підпис) (прізвище, ініціали)
Керівник кваліфікаційної роботи магістра
к.т.н., доцент Денисенко Ю .М .________ _________
(науковий ступінь, вчене звання, прізвище, ініціали) (підпис)
Рецензент кваліфікаційної роботи магістра
(посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище, ініціали) (підпис)
Черкаси 2024
2
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
Факультет технологій, будівництва та раціонального природокористування  
Кафедра промислового та цивільного будівництва 
Освітній рівень магістерський
Спеціальність 192 - Будівництво та цивільна інженерія
«ЗАТВЕРДЖ УЮ »
Зав, кафедри, доцент 
_____________________ Сергій ПРЯНИК
"_____ ’’   2023 р.
ЗАВДАННЯ
НА КВАЛІФІКАЦІЙНУ РОБОТУ МАГІСТРА ЗДОБУВАНУ ВИЩ ОЇ ОСВІТИ
____________ Фесенко Владислав Віталійович___________
(прізвище. їм 'я, по батькові)
1. Тема «Композиційні матеріали на неорганічних в ’яжучих, що використовуються 
методом ін’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях 
будівель»___________________________________________________________________________
(назва теми)
керівник__________________ Денисенко Юрій Миколайович, к. арх., доцент
(прізвище, ім 'я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджена наказом по університету від " 04 "___ 10___ 2023 р. № 263/04
2. Строк подання здобувачем вищ ої освіти роботи "____ "   202 р.
3. Вихідні дані до роботи_____________________________________________________________
4. Зміст і календарний план
Розділи Строк виконання
Вступ
Розділ 1. Сучасний стан питання застосування та характеристик 
композиційних матеріалів на неорганічних в ’яжучих, що 
використовуються методом ін’єктування для усунення пош коджень в 
залізобетонних поверхнях будівель
Розділ 2. М етодика дослідж ень та  аналіз планування експерименту
Розділ 3. Аналіз експериментальних досліджень властивостей 
композиційних матеріалів на основі неорганічних в ’яжучих
Розділ 4. О цінка будівельно-технічних властивостей композиційних 
матеріалів на основі неорганічних в ’яжучих речовин
Розділ 5. Технологія  ін 'єкційного ущільнення залізобетонних поверхонь 
композиційними матеріалами та аналіз результативності
Висновки
Виготовлення ілюстративного матеріалу
Оформлення роботи
Попередній захист роботи
Дата видачі завдання " 02 " 10___ 2023 р.
Здобувач вищої освіти ____________  Фесенко В .В.
(п ід п и с )  ( п р і з в и щ е  т а  ін іц іа л и  )
Керівник Денисенко Ю.М.
( п і д п и с ( п р і з в и щ е  т а  і н і ц і а л и  )
з
Рішення комісії
з попереднього захист у від «____ » січня 2024 р.
Кваліфікаційна робот а магістра здобувана вищ ої освіти  Фесенко В.В.
(прізвище, ініціали)
рекомендується___________ до захисту.
(рекомендується / не рекомендується)
Голова комісії:
(науковий ступінь, вчене звання , посада, .прізвище, ініціали) іпідпис/
Члени комісії:
(науковий ступінь, вчене звання, посада, .прізвище, ініціали) (підпис)
(науковий ступінь, вчене звання , посада, .прізвище, ініціали) (підпис)
(науковий ступінь, вчене звання , посада, ,прізвище, ініціали) (підпис)
4.
(науковий ступінь, вчене звання . посада, .прізвище, ініціали) іт онна
Примітки:
1.Перша сторінка індивідуального завдання на кваліфікаційну роботу магістра заповнюється здобувачем вищої 
освіти під керівництвом наукового керівника, друга—  науковим керівником.
2. Порушення здобувачем вищої освіти термінів подання заяви на затвердження теми кваліфікаційної роботи 
магістра, погодження з керівником індивідуального завдання, несвоєчасне завершення розділів та роботи в 
цілому є підставою для його відрахування з університету як такого, що не виконує навчальний план.
4
АНО ТАЦ ІЯ
Ф ЕСЕНКО В.В. «Композиційні матеріали на неорганічних в ’яжучих, що 
використовуються методом ін ’єктування для усунення пошкоджень в 
залізобетонних поверхнях будівель». -  Рукопис.
Кваліфікаційна робота здобувана вищої освіти за спеціальністю 192 - 
Будівництво та цивільна інженерія. -  Черкаський державний технологічний 
університет, Черкаси, 2024.
Кваліфікаційна робота присвячена аналізу та обґрунтуванню 
виробництва та застосування композиційних матеріалів на неорганічних 
в ’яжучих, що використовуються методом ін’єктування для усунення 
пошкоджень в залізобетонних поверхнях будівель. Проаналізовано історію 
проблеми по темі кваліфікаційної роботи магістра. Проаналізовано 
дослідження виробництва та отримання складів розчинів з заданими 
експлуатаційними характеристиками з різними типами доміш ок на основі 
неорганічних в ’яжучих речовин.
Виконано аналіз дослідження виконання робіт для усунення 
пошкоджень, що виникли в процесі експлуатації будівлі та внаслідок 
військової агресії росії. Виявлені оптимальні варіанти для збільшення 
довговічності будівель.
Ключові слова: композиційні матеріали, неорганічні в ’яжучі,
ін ’єктування, пошкодження, залізобетонна поверхня, будівля.
5
ЗМ ІСТ арк
В С ТУ П ...............................................................................................................................  8
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН ПИТАННЯ ЗАСТОСУВАННЯ ТА 
ХАРАКТЕРИСТИК КОМ ПОЗИЦІЙНИХ М АТЕРІАЛІВ НА 
НЕОРЕАНІЧНИХ В ’ЯЖ УЧИХ, Щ О ВИКОРИСТОВУЮ ТЬСЯ 
М ЕТОДОМ  ІН ’ЄКТУВАННЯ ДЛЯ УСУНЕННЯ ПОШ КОДЖ ЕНЬ В 
ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ПОВЕРХНЯХ БУ Д ІВ ЕЛ Ь............................................... 12
1.1. Загальні відомості про композиційні матеріали.....................................  12
1.2. Аналіз проблеми при ліквідації пош коджень в зовнішніх 
залізобетонних конструкціях будівель і споруд. Види 
використовуваних ін'єкційних матеріалів...........................................................  18
1.3. М ожливість активації цементних систем тверднення як фактор 
управління синтезом композитів з наперед заданими властивостями... 20
1.4. Аналіз можливості використання тонкодисперсного шлаку в якості 
наповнювача для композиційних матеріалів на основі 
цементу..............................................................................................................................  25
1.5. Оцінка доцільності застосування в якості наповнювача 
композиційних матеріалів на основі цементу продуктів обточування 
сталі абразивним інструментом...............................................................................  26
1.6. Теоретичні уявлення про структуроутворення композиційних 
матеріалів на основі неорганічних в ’яжучих для усунення пошкоджень
в залізобетонних поверхнях б у д ів ел ь ..................................................................  27
РОЗДІЛ 2. М ЕТОДИКА ДОСЛІДЖ ЕНЬ ТА АНАЛІЗ ПЛАНУВАННЯ 
ЕКСП ЕРИ М ЕН ТУ .......................................................................................................  39
2.1. Вихідні матеріали, аналіз їх властивостей і вимог, що 
пред'являються до них ..................................................................................................  39
2.2. Обладнання для визначення властивостей композиційних 
матеріалів на основі цементу.................................................................................. 43
2.3. Визначення характеристик міцності властивостей ін'єкційних 
композиційних матеріалів на основі цементу...................................................... 45
2.4. Оцінка адгезійних властивостей композиційних матеріалів на 
основі цем енту................................................................................................................  47
2.5. Аналіз визначення питомої поверхні і діаметра частинок 
феромагнітного наповню вача.................................................................................... 48
6
2.6. Аналіз визначення газонепроникності тріщин на поверхнях розділу 
метал-бетон та бетон-бетон.......................................................................................  50
2.7. Оцінка магнітної індукції на поверхні металу від джерела 
зовнішнього локального магнітного поля............................................................. 53
2.8. Вимірювання магнітної індукції в порожнині котушки для оцінки 
параметрів активування води і композиційних матеріалів.......................... 54
2.9. Аналіз визначення усадочних деформацій композиційних 
матеріалів..........................................................................................................................  55
2.10. Аналіз дослідження магнітної сприйнятливості композиційних 
матеріалів.........................................................................................................................  56
2.11. Аналіз напружень зсуву сумішей композиційних матеріалів  56
2.12. Планування експериментів математичними методам и.....................  57
РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ЕКСПЕРИМ ЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖ ЕНЬ 
ВЛАСТИВОСТЕЙ КОМ ПОЗИЦІЙНИХ М АТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ 
НЕОРГАНІЧНИХ В ”Я Ж У Ч И Х .............................................................................  61
3.1 Оцінка міцностних, адгезійних властивостей композиційних 
матеріалів з відходів обробки металів абразивним інструментом та 
наповнювачами з ш лаку............................................................................................... 61
3.2 Аналіз оптимального значення сили струму в обмотці 
електромагніту пристрою активації води............................................................. 71
3.3 Аналіз формулювання двоетапної магнітної обробки води і водних
систем сумішей композиційних матеріалів........................................................  72
РОЗДІЛ 4. ОЦІНКА БУДІВЕЛЬНО-ТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ 
КОМ ПОЗИЦІЙНИХ М АТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ НЕОРГАНІЧНИХ 
В ’ЯЖ УЧИХ Р Е Ч О В И Н .......................................................................................... 75
4.1 Аналіз результатів планування експерименту з оптимізації складів 
цементно-піщ аних композиційних матеріалів для закладення широких 
тріщ ин...............................................................................................................................  75
4.2 Аналіз результатів планування експерименту з оптимізації складів 
цементно-водних композиційних матеріалів для закладення вузьких 
тріщ ин...............................................................................................................................  80
4.3 Дослідження деформативних властивостей оптимальних складів  87
4.4 Оцінка об'ємних деформацій усадки композиційних матеріалів в 
процесі їх твердіння...................................................................................................  88
4.5 Аналіз результатів експериментальних досліджень параметрів
7
локального магнітного поля в контактній зоні метал-бетон.........................  91
РОЗДІЛ 5. ТЕХНОЛОГІЯ ІН 'ЄКЦІЙНОГО УЩ ІЛЬНЕННЯ 
ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ПОВЕРХОНЬ КОМ ПОЗИЦІЙНИМ И
М АТЕРІАЛАМ И ТА АНАЛІЗ РЕ ЗУ Л ЬТА ТИ В Н О С Т І.................................  98
5Л Причини та теорія утворення тріщин в бетонних конструкціях на 
контактних поверхнях ’бетон-бетон’....................................................................  98
5.2 Теорія утворення тріщин в бетонних конструкціях на контактних 
поверхнях ‘метал-бетон’.......................................................................................  102
5.3 Особливості технології ін'єкційного ущ ільнення місць контакту 
метал-бетон сумішами, активованими магнітним полем ................................  107
5.4 Теоретичні передумови і аналіз результатів даних 
експериментальних досліджень повітропроникності композиційних 
матеріалів як параметра оцінки якості тампонажних 
робіт .....................................................................................................................................  ПО
5.5 Техніко-економічна ефективність тампонажних робіт по
ін'єкційному заповненню пошкоджень в залізобетонних поверхнях  114
ЗАГАЛЬНІ В И С Н О В К И .............................................................................................  118
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ Д Ж ЕРЕЛ ................................................................  120
8
ВСТУП
Актуальність теми.
Характерною особливістю будівельного фонду України є будівлі і 
споруди старої забудови. Довготривала експлуатація цих будівель і споруд 
призводить до пошкоджень та дефектів. Деякі з них вичерпали нормативний 
строк служби або на межі нормативного строку служби, або пошкоджені 
внаслідок військової агресії росії і отже не відповідають вимогам нормальної 
експлуатації. Створюється проблема ущільнення усадочних швів, закладення 
тріщин і пустот в залізобетонних конструкціях, укріплення і підвищення 
водонепроникності фундаментів, заповнення вузьких тріщин в вертикальних 
стиках великопанельних будинків, а також в монолітних залізобетонних 
конструкціях. Як відомо, надійність, працездатність і жорсткість будівельних 
конструкцій багато в чому залежать від якості виконання ін'єкційних робіт і 
застосовуваних матеріалів. Оптимальним є використання цементних 
композитів в якості герметизувального матеріалу. Для перешкоджання 
розшарування в склади вводять поверхнево-активні речовини, які істотно 
підвищують вартість такої технології. Вони повинні бути ефективними і 
економічними та мати максимальну результативність. При цьому очевидним 
рішенням, що забезпечує ефективність нової технології їх нагнітання в 
вертикальні вузькі тріщини, є рідкофазна активація систем тверднення за 
рахунок дії магнітних полів. Тим більше, що в деяких випадках магнітне поле 
є необхідним технологічним параметром, що забезпечує герметичність 
конструкцій в цілому. При цьому з метою зниження вартості розроблених 
складів можна використовувати відходи металургійного виробництва -  
сталеплавильні, конвертерні шлаки і продукти обточування металу 
електрокорунду, які є актуальним альтернативним сировинним ресурсом. 
Тому тема досліджень є актуальною.
М етою кваліф ікаційної робот и магістра  є обґрунтування та аналіз 
композиційних матеріалів на неорганічних в ’яжучих, що використовуються 
методом ін’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях 
будівель
9
Задачі дослідж ення:
- Проаналізувати сучасний стан питання застосування та характеристик 
композиційних матеріалів на неорганічних в ’яжучих, що використовуються 
методом ін ’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях.
- Проаналізувати можливість створення ефективних, активованих магнітною 
обробкою композиційних матеріалів на основі портландцементу з 
феромагнітним наповнювачем з відходів промислових виробництв.
- Визначити найоптимальні склади композиційних матеріалів на основі 
портландцементу (з урахуванням критеріїв функціональної ефективності та 
економічності) з двоетапною магнітною обробкою і домішками.
- Дослідити характеристики міцності, реологічні, магнітні та адгезійні 
властивості композиційних матеріалів.
- Проаналізувати характерні величини індукції магнітного поля і його впливу 
як визначальних технологічних параметрів рідкофазної активації складів 
композиційних матеріалів на неорганічних в ’яжучих речовинах.
- Дослідити технології ін'єктування пошкоджень в залізобетонних поверхнях.
- Виконати оцінку будівельно-технічних властивостей композиційних 
матеріалів на основі неорганічних в ’яжучих речовин та економічну 
результативність застосування.
Об'єктами дослідж ень є композиційні матеріали з домішками з відходів 
промислових виробництв.
Предмет дослідж ення - властивості і технологія композиційних матеріалів, 
що застосовують для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях, в 
тому числі після військової агресії росії.
В роботі аналізувалися теоретичні та методологічні теорії відомих 
вчених, але акценти були зроблені на невиріш ених проблемах поліпшення 
властивостей спеціальних розчинів за рахунок рідкофазної активації 
компонентів. Поліпшення властивостей бетонів на портландцементі з 
використанням феромагнітного наповнювача досягнуто за рахунок 
двоетапної обробки композиційних матеріалів, що забезпечує підвищення 
ступеня гідратації, що приводить до утворення щ ільної монолітної структури 
цементної матриці.
Робоча гіпотеза: передбачається вплив постійного магнітного поля на 
дисперсійне середовище (рідина замішування), ефективність якого 
ґрунтується на розробках і результатах, відомих з робіт відомих вчених. При 
цьому за рахунок рідкофазної активації поліпшується структура і властивості
10
води (змінюється змочуваємість твердих поверхонь; прискорюється і 
посилюється адсорбція і розчинення твердих частинок; зростає агрегація 
мінеральних часток). Технологія ін'єкціювання за рахунок нагнітання складів 
в дефектні місця або в стики зумовлює двоетапну магнітну обробку. Вплив 
на цементні композиційні матеріали магнітного поля має створити в їх 
системах твердіння з феромагнітним наповнювачем додатковий потенціал на 
формованих поверхнях гідратних кластерів, за рахунок якого 
інтенсифікуються фізико-хімічні процеси взаємодії компонентів, що істотно 
підвищує ступінь гідратації систем тверднення в ранні терміни. Це дозволить 
поліпшити характеристики міцності, адгезійні, реологічні та магнітні 
властивості композиційних матеріалів за рахунок створення більш щільної 
упаковки зерен компонентів суміші внаслідок коливальних рухів, що 
здійснюються електричнозарядженими частинками з їх сольватними 
оболонками, в результаті яких руйнуються випадкові неміцні структурні 
зв'язки в активованих системах твердіння і проявляється ефект
тиксотропного розрідження.
Практична  новш нд.Проаналізовані композиційні матеріали з різними
домішками з низьким вмістом поверхнево-активних речовин, виготовлених 
на неорганічних в ’яжучих, що використовуються методом ін ’єктування для 
усунення тріщин та пошкоджень отриманих в залізобетонних поверхнях 
будівель, в тому числі, внаслідок військової агресії росії. Виявлені 
оптимальні варіанти для збільшення довговічності будівель.
Практична значення  роботи:
Проаналізована методика аналізу оптимальних складів композиційних 
матеріалів, активованих магнітною обробкою води і водно-цементних
систем, для закладення вузьких і широких тріщ ин у залізобетонних
поверхнях конструкцій; Проаналізовані граничні параметри зовнішнього 
локального магнітного поля і тиску нагнітання, активованих поетапною 
магнітною обробкою композиційних матеріалів, в вузькі і широкі тріщини на 
контактних поверхнях «метал-бетон» і «бетон-бетон»; є можливість 
застосування результатів теоретичних і експериментальних досліджень в 
рішенні інженерних проблем, пов'язаних для організації проведення робіт 
оптимальними складами композиційних матеріалів, активованими 
двоетапною магнітною обробкою, для тампонажу тріщин цими складами на 
поверхнях розділу «метал-бетон» і «бетон-бетон» в залізобетонних 
поверхнях конструкцій.
М етоди дослідж ення: М етодологічною основою дослідження були праці 
вітчизняних та зарубіжних науковців, технологів, проектувальників та
11
будівельників. Застосовано порівняльний аналіз дослідження композиційних 
матеріалів на неорганічних в ’яжучих та технологій виконання; узагальнення 
та перевірка отриманих результатів.
Структура роб от и : складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, 
списку використаних джерел з 36 пунктів.
12
РОЗДІЛ 1. СУЧАСН И Й  СТАН П ИТАНН Я ЗАСТО СУВАН Н Я ТА  
ХАРАКТЕРИ СТИ К КОМ П О ЗИ Ц ІЙ НИ Х М АТЕРІАЛІВ НА 
Н ЕОРГАН ІЧН И Х В ’ЯЖ УЧИ Х, Щ О ВИ КОРИСТОВУЮ ТЬСЯ  
М ЕТОДО М  ІН ’ЄКТУВАН Н Я ДЛ Я УСУНЕН Н Я ПОШ КОДЖ ЕНЬ В 
ЗАЛІЗО БЕТО Н НИ Х ПОВЕРХНЯХ БУДІВЕЛЬ.
1.1. Загальні відомості про композиційні матеріали
Наука про композити виникла на стику різних сфер знань, а найбільш 
важливі результати були одержані під час розробок високоміцних матеріалів 
для авіа-, ракето- і машинобудування. Створення композиційних матеріалів 
пов'язане із проблемою конструювання матеріалів із заданими фізико- 
механічними характеристиками для певних умов експлуатації. Більшість 
будівельних матеріалів можна розглядати як композиційні, які включають 
різні за фізичними властивостями або хімічним складом компоненти або 
фази. Композиційні матеріали одержують об'ємним сполученням хімічно 
різнорідних компонентів із чіткою межею розділу між ними. Вони 
характеризуються властивостями, які відрізняються від властивостей 
вихідних компонентів. Характерними ознаками композиційних матеріалів, у 
тому числі й будівельного призначення, є: - гетерогенність і багатофазність; - 
полікомпонентність; - наявність поверхонь розділу фаз між окремими 
компонентами; - відмінність фізико-технічних властивостей композиційних 
матеріалів від властивостей складових, при цьому властивості матеріалу до 
деякої міри визначаються властивостями кожного з компонентів; - 
неоднорідність у мікромасштабі й однорідність у макромасштабі; - склад, 
форма й розподіл компонентів запроектовані заздалегідь. У наш час синтезом 
композиційних матеріалів переймаються фахівці деяких галузей 
металознавства, маш инобудування й будівельних матеріалів, у тому числі - 
силікатних і полімерних. Композиційні будівельні матеріали, як і більшість 
матеріалів загальтехнічного призначення, можуть використовуватися в 
умовах високих температур (жаростійкі, вогнетривкі), хімічної агресії 
(лужно- і кислотостійкі), електричної напруги (електроізоляційні, 
електропровідні), відрізнятися звуко-, теплоізоляційними, декоративними й 
певними деформаційними властивостями (безусадкові, матеріали, що 
розширюються). Композиційний матеріал звичайно містить два основних 
елементи: в ’яжучий компонент - матрицю й армуючий - наповнювач. 
Поверхня (межа) розділу між окремими компонентами або фазами може бути 
визначена як область зміни властивостей матеріалу при переході від одного 
компонента до іншого або від однієї структури до іншої. Поверхня розділу 
може також розглядатися як зона взаємодії матриці й наповнювача, що має
13
кінцеву товщину. На поверхні розділу (у зоні контакту) відбувається 
перерозподіл деформацій і напруги між окремими компонентами 
композиційних матеріалів при дії на них технологічних і експлуатаційних 
навантажень. М атриця - компонент, безперервний у всьому об’ємі 
композиційного матеріалу, що забезпечує певну міцність зчеплення з 
наповнювачем, передає навантаження окремим часткам наповнювача й 
сприймає навантаження, які діють у напрямку, що відрізняється від напрямку 
орієнтації часток (волокон). М атриця в композиційних матеріалах 
загальтехнічного призначення може бути полімерною (пластики), металевою 
(металокомпозити), керамічною й вуглецевою. У композиційних будівельних 
матеріалах матриця може бути представлена гіпсовими, вапняними, 
цементними в'яжучими речовинами, обпаленою глиною, склом, бітумом, 
полімерами. М атрицею можуть бути й більш складні матеріали, які вже є 
композитами, наприклад, будівельні розчини й бетони. Роль матриці в 
армованій композиції визначається в наданні виробами потрібної форми й 
створенні монолітного матеріалу. Поєднуючи в одне ціле окремі складові 
армуючого компонента, матриця забезпечує підвищення опору різним 
зовнішнім навантаженням: розтяганню, стиску, вигину, зрушенню, сприяє 
зростанню несучої здатності композиції, забезпечує передачу зусиль на 
армуючий компонент (наповнювач), а також виконує функцію захисного 
покриття, що попереджає руйнування наповнювача від дії механічних 
навантажень і агресивного середовища. Армуючий компонент (наповнювач, 
заповнювач) - дискретний елемент певної форми й поверхневої активності, 
що сприймає основні експлуатаційні навантаження й надає композиційному 
матеріалу необхідні властивості. Як армуючі компоненти використовують 
речовини різної дисперсності й форми (порошки, зерна, волокна, стрижні, 
пластини). Залежно від цього, композиційні матеріали можуть бути 
дисперсно-зміцненими, волокнистими, шаруватими, кістяковими. Армуючий 
компонент повинен мати такі властивості, як міцність (у всьому інтервалі 
робочих температур) і технологічність, адгезію до матриці, хімічну стійкість, 
характеризуватися відсутністю фазових перетворень у зоні робочих 
температур і нетоксичністю при виготовленні й експлуатації. Внаслідок 
особливостей структури й механізму утворення високоміцних матеріалів, у 
техніці переважно застосовують композити, отримані з використанням 
волокнистого, ш аруватого й зернистого наповнювачів. У будівництві частіше 
застосовують композиційні матеріали із зернистими й волокнистими 
заповнювачами й наповнювачами, наприклад, бетони, розчини й мастики. 
При незначному вмісті наповнювача (заповнювача) властивості
14
композиційних будівельних матеріалів визначаються в основному 
властивостями матриці. При збільшенні кількості наповнювача їхні 
властивості можуть істотно змінюватися, здобувати специфічні риси, 
властиві тільки даному матеріалу. Наприклад, збільшення вмісту 
наповнювача в складі цементного бетону сприяє підвищенню його міцності 
на 20-30 %, асфальтобетону - на 50-80 %. Порівняння механічних 
властивостей композиційних матеріалів показує, що серед них найбільш 
перспективними є волокнисті, шаруваті з металів, скла, деревини, азбесту, 
базальту, причому армування може бути як орієнтоване (залізобетон, 
склоцемент, склопластик), так і дисперсне (фібробетон). Композиційні 
будівельні матеріали - це гетерогенні системи, властивості яких формуються 
за рахунок складних процесів взаємодії вихідних складових з утворенням 
нестабільних структур, здатних у часі до трансформації у більш стабільні. 
Відома залежність «склад - технологія - структура - властивості» дозволяє 
розглядати структуру як один з основних факторів, що визначає якісні 
показники готового продукту. Прогнозування експлуатаційних 
характеристик композиційних матеріалів можна здійснювати з урахуванням 
властивостей вихідних компонентів, особливостей їх будови (характеру 
структури) й технології одержання. Під властивостями матеріалу розуміють 
комплекс показників, які характеризують його здатність виконувати 
функціональне призначення в будовах і спорудах. Властивості матеріалів 
проявляються через взаємодію й взаємозв'язок з навколиш нім середовищем й 
іншими функціональними об'єктами. Технічні характеристики будівельних 
композиційних матеріалів визначають видом і кількістю окремих складових, 
а також особливостями технології, що застосовується. Аналіз причин, що 
визначають виникнення тих або інших необхідних властивостей, дозволяє 
відзначити, що композиційний матеріал необхідно розглядати як 
гетерогенний, котрий складається з окремих структурних елементів, що 
взаємодіють через поверхню розділу. Внаслідок взаємодії компонентів, які 
входять до складу композиційних матеріалів, можуть виникати або 
адитивний, або синергетичний ефекти:
Y(M , N ) =  Y(M) +  Y(N) + Y(M ) • Y(N)
Додавання властивостей Взаємодія
адитивний ефект) (синергетичний ефект) ^
Для певних компонентів величина адитивного ефекту залежить від 
їхньої кількості у всьому об’ємі композита, а величина синергетичного 
ефекту - від співвідношення їхніх питомих поверхонь і величини границі фаз,
15
на якій ці ефекти виникають. Кожний компонент бере участь у формуванні 
властивостей композита за рахунок прояву як адитивного, так і 
синергетичного ефектів. Наприклад, у випадку використання великого 
заповнювача в складі бетону, має місце адитивний ефект, а при введенні 
мікронаповню вача переважає синергетичний ефект. Механічні й інші 
властивості композитів визначають в основному трьома параметрами: 
високою міцністю наповнювачів, твердістю матриці й міцністю контактної 
зони на границі «матриця - наповнювач (заповнювач)». Співвідношення між 
цими параметрами впливає на тип і якість структури, що утворюється й 
визначає відповідний комплекс властивостей матеріалу й механізм його 
руйнування. М ікроструктура характеризується такими складовими як 
новотвори різного хімічного й мінералогічного складів, дефекти (пори), 
залишки вихідної в'яжучої речовини й вода (або рідка фаза), що частково 
заповнює пори (рис. 1.1).
<^кз  о^,з а о^,б
Рис. 1.1 - М ікроструктура цементного каменю [1].
М езо- і макроструктури звичайно розглядають як конгломератні 
структури. Наприклад, для бетону, як характерного прикладу 
композиційного матеріалу, у випадку визначення мезоструктури матрицею є 
цементний камінь, а у випадку визначення макроструктури - цементно- 
піщаний розчин. Наведений розподіл структур композиційних матеріалів 
відповідно до розмірного показника виправдовують тим, що механізм 
формування й властивості мікро- і макроструктур принципово відрізняються
16
між собою. Надійність будівельних композиційних матеріалів визначають як 
правильним вибором вихідних компонентів, так і раціональною технологією 
виготовлення, що забезпечує не тільки збереження властивостей 
компонентів, але й виявлення нових властивостей (обумовлених дією 
синергетичного ефекту). Розмаїтість матеріалів, з яких виготовлені матриці й 
наповнювачі, а також схем армування відкривають можливості спрямованого 
регулювання структури матеріалу, надаючи йому необхідні експлуатаційні й 
спеціальні властивості. У табл. 1.1 наведені деякі види матеріалів 
спеціального призначення й вказані вимоги до них.
Сфера застосування сухих будівельних сумішей (СБС) свідчить, що 
вони є, як правило, адгезивами. Спільна робота елементів, що склеюються, у 
конструкції залежить від монолітності їхніх з'єднань (причому система є 
монолітною), якщо її руйнування визначають втратою несучої здатності 
елементів, що склеюються. М онолітність адгезійних з'єднань визначається 
їхньою структурою. Проектування складів адгезивів (у тому числі й СБС) 
ставить два завдання. Перше - вони повинні мати високу когезійну міцність й 
деформативні властивості, що забезпечується оптимальною структурою. 
Друге - вони повинні мати високі адгезійні властивості, що забезпечуються 
властивостями самого адгезива і його реологією, а саме: суміш повинна бути 
пластична й мати водоутримуючу здатність.
Таблиця 1.1 - Види композиційних матеріалів спеціального призначення[1].
О сн о в н і С кладов і Т ип В и ди  в и р об ів  або  
в л асти в ості к ом п он ен ти стр ук тур и к он стр ук ц ій
і 2 3 4
К о н ст р у  к ці її н і м атеріал  и
М етал ев і м а тер іали : П рок ат, гр уби , п р о 
м етали й сп л ави , м і ф іл і для н есу ч и х  
крокристал ічн і кон стр ук ц ій  пром - 
М іц н іст ь , Д О В Г О В І Ч  вк лю ч ення р ізн о ї  б у д ів ел ь , м ост ів , ін 
Н І С Т Ь  (к о р о з ій н а  с т ій  д и с п е р с н о с т і ж е н е р н и х  с п о р у д ,  
кість. м о р о зо с т ій -  вед и ко прольотиИX  
К!сть, в о гн ест ій к іст ь ) Щ ільна пер ек р и ттів
З а л із о б е т о н : б е т о н , М о н о л іт н і (ф у н д а 
сталева  арм атура м ен ти , ф ер м и , гр еб 
л і, ш л ю зи ); зб ір н о -  
м о н о л ітн і, зб ір н і  
кон с т р у к ц ії (н ам ел і, 
б л о к и , с х о д о в і  м ар
ш і)
Бетони: в'яж учі р е  Ф у н д а м е н т и . с т ін о в і 
ч ов и н и , зап ов н ю в ач і в и р о б у
1 їд р о  і тол я ці й н і м атер і ал 11
В о д о н е п р о н  и кн і сть, О р ган іч н і в'яжучі Р у б е р о й д , с к д о р у б е -  
мі цн ість, д еф о р м а т и  в- (б  і т ум ні, д  ьо гтьо в і, р о й д , ф о л ь го ізо л ,  
ність, т еп л о ст ій к іст ь , п о л ім ер н і); н а п о в  Щ ільна п о л , б р и зо л , м'яка 
д о в г о в іч н іст ь  (х ім іч н а  ню вач і р ізн о ї д и с  б іт у м н а  череп и ц я;  
її б іо с т о й  к ість, в о л о с - п ер с н о ст і, осн ов а  д а х о в о -із о л я ц ій н і,  
Т1 й к і ст  ь. м о р о т о ст  і й - (к артон , к р а ф і-п а  г ід р о ізо л я ц ій н і, а с 
К І С Т Ь ) пір , ск лотк ан и н а, ф ал ьтов і, а н т и к о р о 
ф ол ьга) з ій н і м астики
17
Продовження табл 1.1.
Т еп л о ізо л я  ц ійн і м атеріал  и
К о е ф іц іє н т  т е п л о п р о  М ін ер а л ьн і а б о  о р  М ін ер а л о в а т н і т в ер 
в ід н о ст і не в и щ е 0 ,1 7 5  ган іч н і в’яж учі; н а П о р и ст о - д і ,  н ап ів т в ер д і, м'які 
В і ( м -К ). с ер ед н я  г у с  п о в н ю в ач і V вигляді в ол ок н и ста п л и ти , вата м ін ер а 
ти н а  не б іл ь ш е  5 0 0  в о л о к о н  ( м ін ер а л ь  л ь н а . ск л ов ата , к ао
кі м (Д С Т У  1638  ґ ) ні: б а за л ь т о в і а б о  л ін о в а  вата, д ер ев -  
о р га н іч н і: д ер ев н і) н о в о л о к н и с т і й д е -  
р е в н о с т р у ж к о  в і п л 11 - 
ти
Н і ід р ю  ват і м а гср і а- П о р и с т о -н ізд р ю в а т а Н ізд р ю в а т е  ск л о ,  
ли (м атр и ц я : ст ек л о ,  н ізд р ю в а т і б е т о н и ,  
м ін ер а л ь н і в 'я ж уч і, б е т о н и  на о с н о в і  
п о л ім ер и );  с п у ч е н о г о  п е р л іт у  й 
В к л ю ч ен н я  - п ов ітр я  в ер м и к у л іту
а б о  е п у ч е н и и  з а п о в 
н ю вач
Г р ан ул ятн  й си п у ч і 1Іор и ста , зе р н и с т а К ер а м зи т , с к л о и о р ,  
м атер іали : м атр и ц я  п іс о к  зі с п у ч е н о г о  
-  о б п а л е н і м ін ер а  п е р л іт у  й в ер м и к у л і
л ьн і м атер іал и ;  ту, ж у ж іл ь и а  п ем за ,  
вк л ю ч ен н я  - п ов ітря  в у л к а н іч н и й  ту ф , 
іі гали п ал и в н і ш л ак и , зо л и ,  
д о м е н н і г р а н у л ь о в а 
ні ш лаки
А к усти  ч н і м атер іш  і и
К о е ф іц іє н т  зв у к о п о -  Т в е р д і, м'які й е л а с  П о р и ст а , П л и ти  на о с н о в і  
гл н н ан н я  б іл ь ш е  0 ,2 :  ти ч н і н ео р г а н іч н і й в о л о к н и ста , п е р л іт у  й р ід к о г о  
д  и н а м і ч н ий м о д у л  ь о р га н іч н і м атер іали  н ізд р ю в а т а ск л а  й с и н т е т и ч н и х  
п р у ж н о с т і;  гр ан и ч н і з п о р а м и , з а п о в н е  с м о л , п л и ти  м ін ер а 
р ів н і ш у м у  п о  в ел и ч и  н и м и  п ов ітр я м  а б о  л о в а т н і, д е р е в н о в о -  
ні т и ск у; д л я  п р и м і п р ош ар к ам и  п ов ітр я л о к н и ст і, г а з о б е т о н -  
щ ен ь: н і, г іп с о в і, п е р ф о р о 
- в и р о б н и ч и х  - 8 0 -  вані м а тер іа л и
85  дБ:
- а д м ін іс т р а т и в н и х  - 
3 8 -7 1  дБ .
Так, для забезпечення монолітності адгезійних з'єднань на основі СБС 
можна прийняти, що адгезиви й адгезійні з'єднання є матеріалами, які 
формуються на мікрорівні (адгезив) і макрорівні (адгезійне з'єднання). 
Необхідною умовою забезпечення монолітності адгезійного з'єднання є такі 
нерівності:
Кчгцг > Яког або Яадг = Я) + Я2 , ( 1.2)
де Яі -  адгезійна міцність, що забезпечена силами фізико-хімічної 
взаємодії між основою і адгезивом; Я2 - адгезійна міцність, що забезпечена 
силами механічного зчеплення адгезива з основою [1].
Причому варто мати на увазі, що для адгезивів на основі мінеральних 
в'яжучих фізико-механічна взаємодія формується вже на стадії пластичного 
тіста й у процесі гідратації самого в'яжучого. М еханізм цього процесу 
полягає в наступному. Наприклад, цікавим є процес взаємодії кераміки
18
(наприклад, червоної глиняної цегли й керамічної плитки) і цементно- 
піщаного розчину в кладці стіни. У цьому випадку відбувається 
впровадження іонів А1, Бе, Б і з кераміки в кристалічна реш ітка Са(ОН)2, що й 
підтверджує аспект фізико-хімічної взаємодії цементного каменю й кераміки. 
Крім цього, має місце й механічне зачеплення за рахунок шорсткості 
підложки. Висока адгезійна міцність СБС, які застосовують як клейові 
композиції, обумовлена наявністю полімерних добавок у мінеральні в'яжучі. 
Такі добавки підвищ ують міцність клейових з'єднань на 7-15 % і запобігають 
сповзанню композицій з вертикальної поверхні при їхньому нанесенні в 
рідкому стані [1].
1.2 Аналіз проблеми при ліквідації пош коджень в зовнішніх 
залізобетонних конструкціях будівель і споруд. Види використовуваних  
ін'єкційних матеріалів.
В конструкціях будівель і споруд від неякісного виконання робіт, 
температурних впливів і в результаті усадкових об'ємних деформацій в 
стиках між збірними конструкціями, а також на контактних поверхнях з 
металевими деталями вводів інженерних комунікацій в бетоні можуть 
виникнути дефекти у вигляді раковин, пустот і тріщин. Дефектні місця 
стають шляхами затікання в них забрудненого хімічними та іншими 
речовинами повітряного середовища. В інших випадках дефекти порушують 
цілісність конструкцій, в результаті чого знижується працездатність і 
експлуатаційна надійність споруд в цілому.
Такі дефектні місця, що володіють недостатньою герметичністю, 
можна закладати шляхом нагнітання в них різних герметизуючих сумішей 
(під різним тиском і в його відсутності). При цьому розрізняють наступні три 
види ін'єкційних робіт: силікатизацію, при яких в тріщини по черзі 
нагнітають розчин натрієвого рідкого скла і хлористого кальцію; смолизації, 
коли порожнини і порожнечі заповнюють карбамідними або епоксидними 
смолами, в складах яких знаходиться затверджувач і цементацію - процес, 
якщо в герметизуючому розчині в якості основного в'яжучого 
використовують цементно-піщ ані і водо-цементні суміші.
Силікатизацію для закладення тріщин в бетоні на контакті з металом 
застосовувати не можна, так як рідке скло і хлористий кальцій, основні 
матеріали даного виду ін'єкційних робіт, провокують корозію металу. 
Смолизація, як метод закладення тріщин в залізобетонних конструкціях 
захисних споруд також є неефективною, тому що ці конструкції призначені 
не тільки для сприйняття значних динамічних конструкцій, але і високих 
температур (наприклад, при ядерному вибуху). А матеріали, використовувані
19
для смолизації (епоксидна смола і деякі інші) не витримують впливів високих 
температур. Крім того, в масовому (матеріаломісткому) будівництві, 
використання полімерних смол в якості компонентів систем тверднення, є 
економічно невиправданим.
Таким чином, цементація є основним видом заповнення дефектних 
місць в залізобетонних конструкціях захисних споруд, в тому числі і на 
контакті метал-бетон.
Але при використанні такого виду робіт очевидні проблеми, що 
виникають. Для їх ефективного обговорення розглянемо фізичну картину 
ін'єкційної закладення тріщин цементними ін'єкційними складами. 
Нагнітається в нещільності і дефекти цементна герметизируюча суміш у 
вигляді цементу, води з тонкодисперсним наповнювачем, рухається в них з 
невеликою швидкістю під невеликим тиском, заповнюючи на своєму шляху 
тріщини і порожнечі і витісняючи при цьому звідти воду або повітря. Чим 
більш протяжні тріщини, тим менше в них швидкість течії ін'єкційних 
сумішей і тим швидше в них осідає водоцементна суміш. Осад, який осів не 
залишається в спокої, так як продовжуєче нагнітання сумішей розмиває його, 
внаслідок чого межа відкладення ін'єкціювальних сумішей відсувається. 
Таким чином, певний обсяг матеріалу захоплюється нагнітаючим розчином і 
переміщується вглиб тріщини, але певна його маса залишається на місці і 
отвердіває. В процесі схоплювання і збільшення обсягу нагнітаємого 
цементного розчину поступово зменшується ширина тріщини, але, 
найчастіше, повністю заповнити всю тріщину не вдається.
При дослідженні механізмів спільної роботи арматури з цементними 
ін'єкційними композиційними матеріалами на основі цементу, 
стверджуються, що міцність цементного розчину, ін'єкціюваного в тріщини і 
порожнечі огороджувальних конструкцій ЗС, не може бути менше 28 М Па у 
віці двадцяти восьми діб тверднення [7]. Саме такі матеріали, що мають 
достатню міцність, забезпечують необхідну герметичність відремонтованих 
місць огороджувальних конструкцій захисних споруд після ін'єкційного 
закладення тріщин композиційними матеріалами. Однак дуже важко 
забезпечити необхідну міцність у тампонажних матеріалів, суміші яких 
мають високий вміст води. А саме такими тампонажними сумішами з В/Ц = 
0,8-1,0 і більше закладають вузькі тріщини з шириною розкриття менш 0,5 
мм [7].
При цьому істотним недоліком нагнітання цементних ін'єкційних розчинів в 
разі заповнення нещільності контакту метал-бетон в бетонних конструкціях
20
ЗС є велика витрата ін'єкційних матеріалів і, головне, не повне заповнення 
дефектів (при малій надійності ущільнення контакту метал-бетон).
Це пояснюється тим, що при традиційних способах ін'єктування 
величезний обсяг цементного матеріалу вимушено (під тиском нагнітання) 
заповнюють товщ у бетонних конструкцій, проникаючи в існуючі дефекти - 
тріщини, порожнечі і пори. У захисних спорудах з вертикальними тріщинами 
ситуація ускладнюється ще й тим, що після зняття тиску нагнітання через дії 
сили тяжіння ін'єкційний розчин витікає з тріщин.
Таким чином, з вищенаведеного аналізу наукових джерел випливає 
висновок про те, що при існуючому способі оперативного відновлення 
нещільності розділу поверхонь контакту метал-бетон в конструкціях ЗС 
спеціального будівництва, а також при ремонті залізобетонних конструкцій 
будівель і споруд промислового і цивільного будівництва традиційні 
цементні ін'єкційні матеріали не забезпечують необхідну герметичність для 
забезпечення умов водо- і повітропроникності. Для ін'єкційного ущільнення 
дефектних місць необхідні інноваційні технології і матеріали, здатні 
ефективно працювати в даних умовах та контакту бетон-бетон і метал-бетон.
1.3 М ожливість активації цементних систем тверднення як фактор  
управління синтезом композитів з наперед заданими властивостями
Зростає потреба у даний час в будівництві в якісних композитах 
різного функціонального призначення. У зв'язку з цим досить часто 
використовується дрібнозернистий розчин (мікробетон). За рахунок 
відсутності великого заповнювача він відрізняється легкоукладальністю і 
однорідністю. При цьому постійно формулюються задачі по вдосконаленню 
його функціональних властивостей і технологічних параметрів. У зв'язку з 
цим конструю вання складів і структур інноваційних дрібнозернистих 
бетонів, що володіють високими характеристиками міцності та іншими 
властивостями за рахунок застосування нових методів активації, можна 
вважати вкрай актуальним завданням.
Під активацією речовини можна розглядати технологічні методи, при 
яких вивільняється додаткова енергія, що отримується елементарними 
частинками цієї речовини. Ця потенційна енергія накопичується в активних 
центрах, які представляють собою дискретні напружені частини активіруємої 
речовини, не здатні виділяти додаткову енергію без будь-якого зовнішнього 
впливу. Під зовнішнім впливом можна розглядати удар з неактивованими 
елементарними частинками, з активними центрами цієї ж речовини або 
зовніш нє фізичне поле. Ці зміни змушують матеріал переходити в 
метастабільний стан, що характеризуються енергією, кількісно відрізняючою
21
від термодинамічно рівноважного стану, за рахунок чого вільна енергія 
накопичується всередині матерії.
Необхідно говорити про ефективність рідкофазної активації 
будівельних композитів, так як таке регулювання властивостей (за 
допомогою магнітної, механічної та інших видів обробки рідини
замішування) в порівнянні з твердофазною активацією (за рахунок 
механічної обробки в'язких і інертних компонентів, а також введенням 
хімічних добавок) забезпечує поліпшення механічних властивостей розчину 
без перевитрати пластифікуючих добавок і цементу. При цьому до цих пір 
практично відсутні теоретичні положення, що описують механізми впливу 
активації рідких компонентів матеріалів на характеристики дрібнозернистих 
цементних матеріалів, не відпрацьовані оптимальні склади, а також 
технологія обробки зовнішніми фізичними полями і виробництво таких 
композитів. Цементні в'яжучі в даний час все також затребувані сучасним 
будівництвом, як і раніше. При цьому темпи розвитку будіндустрії і 
капітального будівництв диктують нові якісні характеристики таких виробів, 
що ґрунтуються на економічній і функціональній ефективності, а також на 
застосуванні техногенної сировини в технологічному циклі. Основні
властивості цементних композитів формуються за рахунок складу
компонентів, прийомів конструювання структури, а також технологічних
прийомів. Такі властивості як легкоукладальність, пластичність, міцність при 
стисненні і при вигині, водопроникність, морозостійкість визначають область 
застосування розроблених будівельних матеріалів. При цьому будівельні 
розчини, в тому числі спеціального призначення, характеризуються щільною 
майже бездефектною структурою, в порівнянні з грубозернистими 
матеріалами відрізняються підвищеною витратою в'яжучої речовини, тому 
вимагають коректного розрахунку складу. Саме властивості систем 
тверднення визначають властивості композиту в цілому..
Загальновідомо, що механізми твердіння систем на основі цементних 
в'яжучих ґрунтуються на постійному переході коагуляційних структур 
систем типу «цемент-вода» в конденсаційну, з перетворенням в 
кристалізаційну структуру. Тому впливати за допомогою хімічних, фізичних 
або структурних факторів перш за все потрібно на первинну гідратацію 
цементних систем тверднення, що впливають на перекристалізацію 
первинних продуктів. Таким чином, при виборі методу управління (впливу) 
структуроутворення, а, отже, і властивостями, в першу чергу необхідно 
враховувати взаємодію в системах твердіння типу «цемент-вода» на 
початкових термінах.
22
Напрямок активації цементних композитів, пов'язаний із зовнішніми 
впливами на системи твердіння, пов'язане з технологічними змінами (або 
введенням нового технологічного переділу. Давно відомо, що за рахунок 
введення до складу суперпластифікаторів (СП), зокрема С-3, можна «знизити 
трудовитрати при укладанні бетону на 10-60%, підвищити міцність бетону на 
30-70%, знизити водонепроникність в 2-3 рази, скоротити витрату цементу на 
15-20%. При цьому забезпечується підвищення морозостійкості, загальної 
корозійної стійкості бетону та якості виробів». Тому такі хімічні добавки 
завоювали понад сімдесяти п'яти відсотків будівельного ринку.
Хімічна формула суперпластифікатора С-3 складається з полімерів, 
олігомерів, сульфату натрію і сілі нафталінсульфокіслоти. Нафталінові ядра 
через метиленові містки з'єднані з функціональними сульфогрупами.
При застосуванні суперпластифікаторів (їх дозування становить від 0,6 до 0,9 
відсотків від маси цементу) в бетонну суміш практично не залучається 
повітря, що на виході формує щільну структуру. За рахунок дезагрегіруючої 
здатності і збільшення активної поверхні підвищується швидкість гідратації 
цементних систем тверднення. Збереженість властивостей, в тому числі 
рухливості, характеризується досить стійким ефектом: протягом двох годин.
У складних дисперсних системах твердіння типу «цемент-вода» на 
поверхні зерен цементу розвивається одномоментно відразу кілька 
механізмів взаємодії, які розвиваються за рахунок електростатичних - адгезії, 
когезії, електрокоагуляції, адсорбції. При цьому можливі прояви стеричного 
ефекту [5, 2] і штерновского потенціалу, який перезаряджає подвійний 
електричний шар в ізоелектричній точці. Для поліпшення контакту між 
мікрочастинками цементно-водної системи необхідно застосовувати 
технологічні впливи на поверхню розділу фаз різними способами, які можна 
розділити на три групи: підвищення ймовірності міжфазних контактів за 
рахунок перемішування або вібрації суміші; зміна властивостей самих 
поверхонь за рахунок хімічної модифікації або за рахунок активації; 
збільшення питомої поверхні клінкерних мінералів і (або) наповнювачів за 
рахунок більш тонкого помелу».
З метою зниження витрат хімічних добавок можна застосовувати як 
твердофазну, так і рідкофазну активацію. За рахунок диспергування 
компонентів при механічній активації спостерігається зміна будівельно- 
технічних властивостей як через збільшення питомої поверхні зерен цементу, 
так і з-за перекладу поверхні в аморфний стан.
Все ще найменш вивченим напрямком є активація рідини замішування з 
метою цілеспрямованої зміни властивостей цементних систем. М аємо справу
23
лише з початковою стадією експериментів застосування рідкофазної 
активації за допомогою впливу на воду.
Для пояснення механізмів структуроутворення цементних систем 
тверднення на ранніх термінах необхідно виділити: водневий зв'язок, 
поляризацію і структурування води, що знаходиться між частинками твердої 
фази, при якій водні кластери стабілізуються поблизу твердої поверхні, 
стаючи структурно більш впорядкованими. Структурна упорядкованість води 
в поверхневому шарі визначає зміну її властивостей: в'язкості, пружності, 
діелектричної проникності. Дія молекулярних сил і активних центрів 
поверхні в колоїдних системах сприяє зміні структури і механічних 
властивостей прилеглих шарів рідини в порівнянні з її об'ємними 
властивостями. Ці зміни передаються в обсяг рідкої фази по естафетному 
механізму.
Багато авторів розглядають воду ініціатором механізмів гідратації. 
Розчинення зерен цементу можливо завдяки протонуванням поверхневих 
шарів дисперсної фази за рахунок аномально високої рухливості і високу 
проникаючу здатність протонів (іонів водню), що утворюються при 
електролітичному розкладанні молекул води при первинному контакті з 
частками цементу. Протони, розмір яких на кілька порядків менше розмірів 
елементарних осередків кристалічної решітки клінкерних мінералів, 
проникають в кристалічну решітку мінералів, зв'язуються міцним водневим 
зв'язком з електронегативними атомами кисню і утворюють гідроксил-іони. 
Протони також вступають в реакції іонного обміну з катіонами мінералів 
(Са2 + <-> 2Н +), забезпечуючи вихід іонів кальцію в розчин, які з'єднуються з 
гідроксіл- іонами і утворюють первинні молекули Са(ОН)2, порівнянні за 
розмірами з кристалічною решіткою основних мінералів. В результаті 
відбувається розклинюю че руйнування поверхневого шару частинок цементу 
з утворенням нанодисперсних гідратованих частинок.
Таким чином, вода є ініціатором хімічних реакцій, що відбуваються 
при гідратації цементного клінкеру, і від її стану залежить кінетика цих 
реакцій.
До теперіш нього моменту накопичено достатній позитивний досвід 
впливу на воду затворення зовнішніми полями різної природи: фізичними, 
магнітними, акустичними, електричними.
В роботі [25] запропоновано розділити способи активації води 
замішування на три класи: механічні, хімічні і комбіновані.
М агнітна обробка має на увазі рух води в постійному або перемінному 
магнітному полі. За твердженням багатьох авторів [5], попередня магнітна
24
обробка води заміш ування в багаторічній практиці призводить до 
статистично достовірного підвищення міцності цементного каменю і бетону.
Таким чином, для спрямованої зміни фізико-механічних властивостей 
бетонів найбільш перспективним є рідкофазна активація за допомогою 
магнітного і гідромеханічного впливу для отримання наноструктурованих 
рідин, використовуваних при замішуванні бетонів.
Дисперсійна середа, на яку впливає зовнішнє енергетичне поле, різко змінює 
свої властивості. Під зовнішніми полями, які накладаються на рідину 
замішування, можна розуміти механічні, акустичні, електромагнітні та інші. 
Відомо, що майже всі дослідники констатували при проходженні рідини 
магнітного поля, прискорювалася коагуляція і злипання тонкодисперсних 
зерен цементу. Крім того, до змін, що спостерігалася у природній воді, що 
рухається в магнітному полі, можна віднести «зміни змочуваності твердих 
поверхонь; прискорення і посилення адсорбції; прискорення розчинення 
твердих тіл; зміна концентрації розчинених газів; зростання злипання 
мінеральних часток в 2-4 рази».
Незважаючи на те, що на практиці воду, піддану магнітній обробці, в якості 
рідини заміш ування цементних систем застосовували ще в минулому 
столітті, єдиної теорії, що пояснює механізм впливу магнітного поля на воду, 
поки не існує.
При накладенні електромагнітного поля на дисперсну систему діють 
такі сили [13]:
1) Сила Лоренца Етах = ц (Е + УхВ), де ц - заряд частинки; Е - напруженість 
електричного поля; В - величина магнітної індукції; V - швидкість руху 
частинки;
2) Сила, обумовлена градієнтом магнітного поля Её = -% / (2grad В2), де % - 
магнітна сприйнятливість речовини;
3) Момент сил, що виявляється в однорідному магнітному полі для частинок, 
що мають власний магнітний момент Му.
Таким чином, навіть слабкі магнітні поля здатні посилювати взаємодії 
між колоїдними частинками, у великій кількості утворюються в системі 
«цемент - вода» після замішування. Вода є середовищем, що транслює 
коливання виникаючих центрів нуклеацїї, сприяє утворенню 
кристалогідратів певного складу. За допомогою зовнішнього магнітного поля 
можна впливати на структуру водневих зв'язків, а, отже, і сигнали, що 
надходять від нанорозмірних частинок твердої фази, і тим самим управляти 
процесами кристалізації в цементній матриці.
25
1.4 Аналіз можливості використання тонкодисперсного шлаку в якості 
наповнювача для композиційних матеріалів на основі цементу
Численними теоретичними і експериментальними дослідженнями 
доведено, що міцність і технологічні властивості цементних розчинів і 
бетонів можна покращувати введенням в матрицю різноманітних 
тонкодисперсних наповнювачів [29]. В якості таких наповнювачів 
використовують вапняний і силікатний пил, зольні матеріали і деякі відходи 
металургійного виробництва, зокрема, тонкодисперсний шлак.
Оцінка можливості застосування шлаку в складах композиційних 
матеріалів обґрунтована результатами пілотних досліджень техногенних 
продуктів металургійного виробництва ПАТ «НЛМ К». До сих пір в 
металургійному комплексі в промислових відвалах знаходиться близько 
п'ятисот мільйонів тонн шлаків з вмістом в них більше п'ятнадцяти мільйонів 
тонн металу (у вигляді включень). Площа відвалів (десятки тисяч гектарів) 
щорічно збільш ується більш ніж на 100 гектарів. У таблиці 1.2 наведені 
результати обстеження шлакових відвалів ПАТ «металургійний комбінат» 
(ПАТ «НЛМК»).
Таблиця 1.2 - Відходи металургійного виробництва ПАТ «НЛМК» [12]
№ №  Н айм ен уванн я відходів О бсяг, млн. 
тон
1 Д ом ен н і ш лаки 3.85
2 М еталургій н і ковш ові залиш ки 0,60
3 Г раф ітм істячі відходи 0,74
4 Ш лаки ф еросп лавів 0,36
5 Згор івш а ж елобна і стрічкова маса 1.52
6 Закозльонн е ф утеруван ня чавуновозн их  ковш ів 0,05
7 Т ехн ологічне см іття 0,64
8 Ш лаки  з електропечей  ф асон осталел ітей них цехів 0,20
На металургійних виробництвах ПАТ «НЛМ К» утворюється великий 
обсяг вторинних продуктів у вигляді шлаків, продуктів шлакової переробки, 
горілої (формувальної) землі, різної пилу - аспіраційного і колошникового, 
різноманітних шламів. Відомо, що будівельно-технічні властивості шлакових 
матеріалів залежать від металургійного виробництва [12].
На ПАТ «НЛМ К» існують такі способи виробництва готової продукції: 
доменний процес, який передбачає виплавку чавуну і сталеплавильний 
процес - виплавка сталі з чавуну. За цими технологіями утворюються шлаки, 
в першому випадку - доменні, у другому - сталеплавильні. Вид структури, 
гранулометрія, щ ільність та інші будівельно-технічні та технологічні 
властивості ш лаків формуються на основі мінералогічного складу, способу 
виробництва та швидкості охолодження шлакового розплаву.
26
У разі пошарового охолодження в природних умовах утворюється 
щільна кристалічна структура, при швидкому охолодженні - водою або 
холодним повітрям - аморфна вітрофірова структура. Ш лаки можуть бути 
поточного виходу і міститися в відвалах. Більше проблем з використанням 
відвальних шлаків. Вони накопичуються в результаті зливу розплаву шлаку в 
відвал. Цей матеріал являє собою кусковий матеріал з крупністю зерен і 
шматків від п'яти і менше до ста міліметрів. Він містить різні домішки, а 
також продукти розпаду у вигляді тонкодисперсних зерен. Безсумнівно, за 
обсягом і значущ істю для будівельної індустрії доменні шлаки грають 
провідну роль. У менш их кількостях утворюються сталеплавильні шлаки 
(мартенівські, електросталеплавильні і конвертерні).
У свою чергу, при виплавці чорних металів утворюються феросплавні 
шлаки, властивості яких залежать від елементів, що додаються до заліза. В 
якості таких добавок використовують ферохром, феросиліцій, феротитан і 
інші. Однак, з численних видів шлаків і інших відходів металургійного 
виробництва за своїми властивостями як феромагнітний наповнювач 
найдоцільніше використовувати тонкодисперсні конвертерні шлаки.
Для доказу цього твердження можна навести такі факти: серед 
шлакових відходів металургійного виробництва більшу частину становить 
шлак із зернами фракцій від нуля до десяти міліметрів; дробильність зерен 
становить 18% і його, без істотних витрат можна подрібнювати до отримання 
значної питомої поверхні (до 300 м /кг і більше). А головне, в складі 
конвертерних шлаків міститься велика кількість металевого заліза гематиту і 
магнетиту - до 20%, в результаті чого він дійсно може бути використаний як 
феромагнітний наповнювач матриць цементних тампонажних композиційних 
матеріалів.
1.5 Оцінка доцільності застосування в якості наповнювача 
композиційних матеріалів на основі цементу продуктів обточування  
сталі абразивним інструментом
На численних підприємствах машинобудування заточка інструменту, 
шліфування сталевих і інших металевих виробів проводиться абразивними 
матеріалами [12]. Доцільність використання абразивних матеріалів для 
обробки металів визначається ступенем твердості за шкалою Мооса. Ці 
матеріали можуть бути природні і штучні. Оцінювання основних 
властивостей абразивних матеріалів можна виконати за відомим каталогом.
До природних абразивних матеріалів відносяться: глинозем, кремнезем, 
дроблений кварц, неподрібнений пісок, різні силікати, наждак і всі різновиди 
вуглецю (графіт, алмаз і ін.). Природні абразивні матеріали досить широко
27
використовуються в металообробній промисловості, але частіше за все 
шліфувальні і заточувальні вироби і виготовляються зі штучних абразивних 
матеріалів.
Ш тучні абразивні матеріали виготовляють з природних мінералів, 
збагачених або незбагачених руд і їх подрібнених сумішей методом 
плавлення в печах з подальшим охолодженням і дробленням.
Сировиною для виробництва ш тучних абразивів служать руди і 
мінерали, що містять велику кількість твердих кристалів у вигляді окислів 
кварцу (8 Ю2) і алюмінію (А20 3).
Основним природним джерелом оксиду алюмінію є бокситові глини. 
Вони характеризуються великим вмістом корунду або А20 3 (не менше 60%). 
Температура плавлення бокситів перевищує 1400° С і процес виготовлення 
корунду пов'язаний з використанням значної кількості електричної енергії. 
Саме тому цей матеріал отримав назву електрокорунд. Розрізняють декілька 
видів електрокорунду: нормальний, білий, хром-титанистий і інші.
Також в промисловості широко використовують такі техногенні 
абразивні матеріали: чорний і зелений корунд, одержувані при високій 
температурі в результаті розплаву кремнезему з іншими сировинними 
компонентами - коксом, золами і іншими матеріалами.
Відомо, що технологічно при заточуванні металевих інструментів або 
шліфуванні виробів техногенна маса формується з тонкодисперсних 
металевих частинок - тому їх широко використовують в якості наповнювачів 
у виробництві різних будівельних матеріалів.
З огляду на те, що окремі види відходів обробки металів мають високу
твердість і значну питому поверхню (150 м 2 /кг), є всі•   основи дослі* джувати
доцільність їх застосування в вигляді феромагнітного наповнювача для 
композиційних матеріалів.
1.6. Теоретичні уявлення про структуроутворення композиційних 
матеріалів на основі неорганічних в’яжучих для усунення пош коджень в 
залізобетонних поверхнях будівель
М еханізми структуроутворення цементних композиційних ін'єкційних 
матеріалів зумовлюють на сучасному етапі застосування високодисперсних 
компонентів, збільшуючи тим самим кількісно площу поверхні розділу фаз, 
збільшення щільності, наявність дрібнокристалічних новоутворень в матриці. 
Це пояснюється пред'являємими до таких матеріалів будівельно-технічних і 
функціональних вимог. Гіри цьому композиційні матеріали повинні володіти 
поліпшеними основними властивостями, як в технологічному процесі, так і в 
експлуатаційних умовах. При цьому вирішується досить складне завдання -
28
отримання міцного будівельного композиту з високим водов’яжучим 
відношенням з ш видкозхвачувальною матрицею. Таким чином, структура 
композиційних матеріалів - це результат управління складними 
механохімічними і фізико-хімічними явищами, що відбуваються на стадії 
виготовлення матеріалу. При цьому очевидно, що для підвищення щільності 
цементних композиційних ін'єкційних матеріалів при високому 
водоцементному відношенні недостатньо сформувати абсолютно щільну 
упаковку зерен (на рівні мікробетона). Наповнення композиційного 
матеріалу ефективними тонкодисперсними добавками якраз і дозволяє 
істотно підвищити міцність системи в цілому. Цій же меті буде служити 
зменшення порового простору в композиті. У нашому випадку це можливо 
тільки за рахунок впливу магнітного поля на системи твердіння 
композиційних матеріалів. Крім того, необхідно виявити оптимальну 
кількість кристалічних і аморфних новоутворень на наноструктурному рівні. 
Розглянемо заявлені підходи більш докладно.
По-перше, композиційні матеріали необхідно розглядати з позицій 
фундаментальної теорії структуроутворення цементних композитів. Під 
композитом розуміється матеріал, в структуру якого включені різнорідні 
елементи, які не змішуються один з одним. При цьому вони мають 
синергетичні властивості, відсутні в окремих компонентах. Структура 
композиту формується цілеспрямовано на основі відомих закономірностей і 
законів [15].
Структура композиційних матеріалів повинна конструюватися 
виходячи закономірностей, сформульованих у структурній теорії. У цьому 
випадку можливе отримання композитів з наперед заданими властивостями, 
залежними від параметрів формується структури.
Структура цементних композиційних матеріалів може бути розглянута 
на різних рівнях - від атомно-молекулярного до макроструктури, на якому 
розглядаємий матеріал складається з матриці (цементного каменю або 
цементно-піщаного розчину), феромагнітного наповнювача і контактної 
зони. ЦІ структурні рівні характеризуються конкретними фізичними 
характеристиками. М ногокомпонентність цементних сумішей і особливості 
феромагнітних наповнювачів, що є відходами металургійних виробництв, 
диктують необхідність розгляду композиційних матеріалів, розділяючи їх по 
структурних рівнях. Із загальних ознак структури композиційних матеріалів 
особливо необхідно виділити - багатофазність, полідисперсність, 
поліструктурність і інші [15]. Структурні характеристики безпосередньо 
залежать від складів ін'єкційних сумішей, застосування двоетапної магнітної
29
обробки систем тверднення, параметрів нагнітання, особливостей наростання 
міцності в процесі заповнення пустот в бетоні. Розрахунок таких 
характеристик може бути здійснений на основі відомих підходів і формул, 
але при цьому необхідно розуміти ступінь збіжності результатів.
Рішення технічних завдань синтезу цементних композиційних 
матеріалів ґрунтувалося на двох теоріях - теорії поліструктурності будови 
композиційних будівельних матеріалів - КСМ  та теорії ш тучних будівельних 
конгломератів - ІБК. [15].
Перша теорія дає уявлення про структуроутворення, технологіїю та 
будівельно-технічні властивості поліструктурних композиційних 
будівельних матеріалів. Приймаючи поліструктурність будови як аксіому, 
можна цілеспрямовано формувати структуру композиту, а значить 
синтезувати матеріали з наперед відомими властивостями і розробляти 
максимально ефективну технологію.
Одним з головних положень поліструктурної теорії є необхідність 
реалізації принципу роздільності, згідно з яким структуроутворення 
композиційних матеріалів на різних масштабних рівнях має реалізовуватися 
по роздільним технологіям. На сьогоднішній день, очевидно, ця теорія 
найбільш актуальна, навіть в порівнянні з положеннями теорії ІБК I.A. 
Риб'єва. З цього слідує, що композиційних матеріалів, будучи композитом, 
має ознаки конгломератності будови. Ця проблема - однорідності - 
неоднорідності будови також є актуальною. Тому цементні ін'єкційні 
матеріали можна вважати штучними будівельними композитами з 
конгломератним типом структури.
При оптимізації складів композиційних матеріалів необхідно 
враховувати наступні групи факторів, які безпосередньо впливають на 
структуру: структуроутворюючі, структурохарактеризу вальні і
структуроформу вальні.
Такі фактори, як кількість цементу, питома поверхня в'яжучого і 
наповнювачів, ставлення вихідних матеріалів, зміна водоцементного 
відношення, можна віднести до групи структуроутворюючих факторів. Зміни 
технологічних параметрів, кількість і склад основних і допоміжних операцій, 
механізми та обладнання, що використовуються при змішуванні і 
ущільненні, збільш ення пластичності суміші (без подорожчання вартості), 
умови набору міцності і інші можна розглядати в якості 
структуроформуючих чинників.
Структурохарактеризуючі фактори безпосередньо залежать від будівельно- 
технічних властивостей вихідних компонентів - ступінь гідратації і
зо
активність цементних в'яжучих, гранулометрія, міцність і деформативні 
властивості дрібного заповнювача і феромагнітного наповнювача, які 
внаслідок безпосередньо формують характеристики готового композиту. 
Доведено, що механізм структуроутворення композиційних матеріалів є 
складним процесом. Починати його розгляд необхідно з процесів гідратації і 
гідролізу в'яжучих речовин (в нашому випадку - цементних дисперсних 
систем тверднення композиційних матеріалів). На сучасному етапі розвитку 
будівельного матеріалознавства очевидно, що схоплення і твердіння систем 
тверднення цементних матеріалів відбувається в результаті утворення 
структури, яка в основному складається з гідратів.
Ще в 1887 році Ле-ш ательє досить глибоко вивчав будову неорганічних 
в'яжучих речовин, а також прояв їх властивостей після взаємодії з водою. У 
двадцятому столітті існували відразу дві теорії, що пояснюють твердіння 
в'яжучих - теорія А. Ле-Ш ательє і теорія В. М іхаеліса. їх об'єднує уявлення 
про розчинення в'яжучої речовини в рідині, при якій утворюється насичений 
розчин. На думку А. Ле-Ш ательє, розчин з часом пересичується щодо 
утворюючих гідратів, які потім виділяються у вигляді кристалів. Ці 
новоутворення, взаємодіючи між собою, і формують структуру композиту. За 
теорією В. М іхаеліса, ці процеси супроводжуються гелеутворенням. Згодом 
ці теорії об'єдналися (завдяки зусиллям A.A. Байкова), показавши більш 
системний погляд на механізми схоплювання і твердіння в'яжучих.
Він показав, що структуроутворення є складним кристалохімічним процесом, 
що проходить кілька етапів: розчинення цементу, проходження топохімічних 
реакції з утворенням колоїдів і кристалізації. Це було підтверджено науково: 
кристалічні новоутворення мають розмірність колоїдів.
Наступним етапом формування нових знань про твердінні за рахунок 
гідратаційної активності в'яжучих стала фізико-хімічна механіка, в основу 
якої було закладено принцип структуроутворення. Під структурою розуміли 
систему будівельно-технічних властивостей, за рахунок якої матеріал 
набував здатність чинити опір дії зовнішніх агресивних чинників. В цьому 
аспекті структура може бути охарактеризована за допомогою трьох рівнів. 
По-перше, структура може бути віднесена до речовини, що мають хімічний і 
фазовий склад. По-друге, категорія структури співвідноситься з системою, в 
тому числі з сукупністю пор, і існує в системі геометричних координат. І, по- 
третє, розглядається структура зв'язків, керуюча як речовиною, так і поровим 
простором [20].
У традиційному цементному клінкері міститься близько вісімдесяти 
відсотків силікатів кальцію, які в результаті реакцій з водою, утворюють
31
гідросилікати кальцію (ГСК). ГСК в свою чергу пов'язують між собою 
елементи структури, саме вони надають міцність цементним композиційним 
матеріалам.
Гідратація цементу передбачає наявність декількох стадій 
змочування, адсорбція, розчинення, дифузія, хімічна реакція 
зародкоутворення і утворення гідратів, формування структури з конкретними 
фізико-механічними властивостями. Твердіння мінеральних в'яжучих 
зазвичай супроводжується деструктивними явищами, пояснюючими 
дефектами контактів зрощення.
Таким чином, в основі механізму твердіння цементу лежать гідроліз і 
гідратація, в результаті яких утворюються речовини, за рахунок яких і 
відбувається подальше структуроутворення. Розвивається дифузія між 
часткою цементу і її сольватною оболонкою, призводить до появи 
гелеподібних речовин, з якими згодом також відбуваються структурні зміни. 
Подальшу взаємодію дисперсної фази і дисперсійного середовища 
призводить до накопичення продуктів реакції, за рахунок чого вся система 
твердіння зміцнюється.
Результати досліджень багатьох авторів підтверджують, що 
структуроутворення в твердіючій системі протікає тільки при досягненні 
граничних умов.
Аналіз літературних джерел показав, що наукові праці, присвячені 
механізмам прояви властивостей в'яжучими гідратаційного твердіння, 
можуть бути згруповані за двома напрямками. Перше - це виявлення 
можливих реакцій гідратації і гідролізу цементів. Друге - що виявляють 
закономірності прояву гідратаційної активності з продуктами гідратації і 
гідролізу, тобто з ГСК. При цьому, в таких залежностях враховується і 
кристалохімічна природа гідросилікатів кальцію.
Крім того, цікаві праці Брандерберга [28], який вважав, що гідравлічна 
активність безпосередньо залежить від структурних факторів, зокрема, це 
пов'язано з низькою координацією активних катіонів. До такого ж висновку 
прийшов і Джефрі, який вважав, що ще одним фактором при прояві в'яжучих 
властивостей є нерегулярність координації в можливості оксиду взаємодіяти 
з рідиною замішування. Наступні роботи [28] показали ймовірність 
проходження реакції гідратації між в'яжучим і дисперсійною фазою, що 
залежить від здатності новоутворень акумулювати пересичення, яке 
характеризується приростом в середній енергії зв'язку Са-О, М § -0  і так далі.
Системи твердіння, що складаються з тонкодисперсних зерен цементу і 
активного наповнювача, проявляють гідравлічні властивості в тому випадку,
32
якщо вода замішування (розчинник) має властивість полярності, а 
новоутворення (ГСК) містять аквакомплекси, сольватокомплекси або інші 
функціональні полярні групи. Для поліпшення адгезійних властивостей 
цементних матриць необхідно управляти складом утворю юємих гідратів, 
який безпосередньо залежить від якості зв'язування води замішування (що є 
полярною рідиною). З точки зору хімічної взаємодії дане твердження - 
утворення зв'язків в системах твердіння, що складаються з комплексних 
сполук змінного складу, багатоаспектно. Якщо до складу (в структуру 
кристала) входять полярні молекули (групи), це призводить не тільки до 
більшої активності ГСК, а й надає інші властивості новоутворенням. 
Гідросилікати кальцію стають більш активними (в порівнянні з ГСК, що не 
містять полярних молекул (груп). Всі ці явища через фізико-механічні, і перш 
за все, хімічні взаємодії на агрегативному рівні, призводять всю систему 
тверднення у вимушені умови стиснення, призводять до тверднення 
цементного мікробетона [28].
Тобто, іншими словами, хімічна (гідравлічна) активність безводних 
силікатів і алюмінатів кальцію по відношенню до рідини замішування може 
бути пояснена з точки зору їх кристалохімічної структури, що приводить до 
реакцій гідролізу і гідратації з подальшою полімеризацією. При цьому 
встановлено, що в основі структури дисперсної фази знаходяться наступні 
аніони: [8Ю4]4", [АІО4]3", [А106] 10', [Г е04]5’ і [Г е0 6] 10". Вони утворюють 
ковалентно-іонні зв'язку з киснем і катіонами кальцію. Головною 
особливістю їх існування вважається твердий стан, що приводить в більшості 
випадків до полімеризації. Здатність до полімеризації обумовлена високими 
зарядами 8 і4+, А13+ і Бе3+, які практично неможливо компенсувати кисневими 
іонами з мономірною структурою [28].
Подальший розвиток уявлень про хімічну природу прояви в'яжучих 
властивостей оформилося у вигляді теорії Ю .М. Бутта, який вважав, що на 
гідравлічну активність силікатів, алюмінатів та феритів кальцію впливає 
характер зв'язку між атомами кальцію і кремнію. Таким чином можна 
пояснити наявність в'яжучих властивостей у відомих сполуках - зв'язок між 
двома атомами кремнію дуже міцна (наприклад, як в воластоніті - С а 0 х 8 і0 2, 
який не проявляє активності); в той же час іонний, силоксановий зв'язок 8 і- 
0 -8 і менш сильний (ранкініт ЗСаОх28іСЬ вже проявляє слабкі в'яжучі 
властивості). І, нарешті, зв'язок 8 і-0 -С а-0 -8 і швидко рветься - тому такі 
клінкерні мінерали, як аліт (Сз8 ) і беліт (С28 ) є речовинами, явно мають 
гідравлічну активність. Встановлено, що на властивості систем тверднення 
впливає і координація атомів (так, у алюмінію координація атомів може
33
становити 6 , 7, 9), так як така координація в сукупності з ознаками 
нерегулярності структури атомів свідчить про різницю сил зв'язку між 
окремими іонами, і, як наслідок, зовнішні впливи надають на всю речовину 
значно істотніше, ніж на систему з рівномірною координацією. Особливо в 
разі зниження регулярності в ближньому порядку.
На сьогоднішньому етапі розвитку будівельного матеріалознавства 
очевидно, що реакція гідратації клінкерних мінералів цементу і активних 
феромагнітних наповнювачів проходить в кілька етапів. На першому 
спостерігається адсорбція полярних молекул рідини замішування (на 
поверхні кристалів), яка супроводжується процесами часткового 
електролітичного розкладання молекул води на іони; на другому 
відбувається налагодження хемосорбційних зв'язків за рахунок взаємодії 
утворившихся іонів з молекулами води з формуванням активних центрів на 
поверхнях речовин.
Далі відбуваються протонізація з розвитком іонного обміну типу, яка
7-+- З
веде до переходу деякого об'єму структурних одиниць кристалів (Са~ , АГ ’, 
М §2+, № +, К+ і ін.) в водний розчин. Все це супроводжується приєднанням 
полярних груп Н+ і ОН" і полярних молекул води до інших структурних 
одиниць кристалів. В результаті утворюються первинні зародки нової фази - 
гідрати (СаО)хх(8і02)ух(Н20)2, Са(ОН)2 та інші. За цією стадією слід 
бурхливий перехід іонів, які з ’явилися а також гідратованих іонів С а(О Ц Г, 
(Н28і04)2", в  розчин. Це призводить до насичення розчину, який надалі 
пересищається частинками. В результаті з водного пересиченого розчину 
викристалізовується нова фаза (кристалічний зросток) як у всьому обсязі, так 
і на поверхні речовини.
Таким чином, в процесі хімічних реакцій гідратації і гідролізу 
утворюються безліч розривів хімічних зв'язків і утворень нових зв'язків, 
пов'язаних з переходом енергетичних бар'єрів, обумовлених впливом 
цілеспрямованих внутрішніх і зовнішніх чинників - хімічна індукція, хімічне 
ініціювання за допомогою спеціальних добавок. На цей процес впливає і 
зовнішнє навколиш нє середовище за допомогою барометричного, 
електричного, звукового, теплового, вологісного, гравітаційного, магнітного, 
та інших впливів). Наскільки швидко відбуваються хімічні реакції - можна 
судити по кінетичним характеристикам механізмів, що характеризує 
ймовірність взаємодії між частинками. При цьому вони повинні володіти 
високою енергією, необхідною для подолання критичного потенційного 
бар'єру, і певним рівнем ентропійного фактора. В результаті цього
34
відбувається природне зростання тільки тих новоутворень (ГСК), які 
найбільш ефективні (пристосовані) до сформованої системі твердіння.
Конвертерні шлаки і відходи абразивної обробки відносяться до 
дисперсно-зернистим матеріалам, тобто в них міститься багато 
тонкодисперсних частинок мікронних розмірів. Саме ці частинки впливають 
і на вигляд новоутворень, і на будівельно-технічні властивості систем 
тверднення цементних ін'єкційних матеріалів. Вони мають високу сумарну 
енергію поверхні (величина питомої поверхні конвертерних шлаків і відходів 
абразивної обробки металів - більше 300 см"/г).
Для хімічно інертних, по відношенню до води, конвертерних шлаків 
визначальним при формуванні адсорбційних шарів полярної рідини є фізичне 
тяжіння молекул Н20  твердою дисперсною фазою. Ці сили мають 
дисперсійну (близькодіючу), електростатичну (дальнодіючу) і структурну 
природу. М олекулярні сили формуються за рахунок тяжіння і 
відштовхування частинок системи. Електростатичні сили виникають за 
рахунок іонних і дипольних взаємодій.
Термінологія категорії «зв'язана вода на частинках цементу» не є 
уніфікованою. Так, в колоїдній хімії таку воду називають сольватними 
оболонками. У механіці дисперсних систем це плівкова вода. Крім того, 
загальноприйнятим можна визнати термін «граничний шар води».
Плівкова вода значно відрізняється від об'ємної води, яка заповнює 
пори і капіляри між частинками дисперсної фази в цементних системах 
твердіння. Деякими авторами встановлено, що щільність зв'язаної води може 
становити 1100 кг/м3; а пружність відповідає пружності твердих тіл. Цей 
граничний шар води строго структурований за рахунок диполів Н 20  за 
рахунок електронегативності поверхні частинок цементу.
При цьому за рахунок того, що плівкова вода має низьку розчинюючу 
здатність, багато авторів [28] стверджують, що її функція зводиться лише до 
транспортування поляризованих груп і іонів, а також певних заряджених 
комплексів до поверхні або від поверхні цементних часток. Тому саме 
звичайна вода є постачальником гідратних іонів, саме вона розчиняє 
клінкерні мінерали. Таким чином, впливаючи на плівкову і об'ємну воду за 
допомогою магнітного поля, можна домогтися поліпшення реологічних 
характеристик цементних композиційних ін'єкційних матеріалів і зменшити 
кількість об'ємної води не за рахунок застосування дорогих пластифікаторів 
(що при значних обсягах тампонажних робіт тягне значну економію), а за 
рахунок тільки запропонованої технології з використанням двоетапної 
магнітної обробки.
35
При розкритті питань природи активності мінералів портландцементу 
цікава теорія В.Н. Вернігорової [9]. Саме хімічний і кінетичний аспект 
формування гідросилікатів кальцію лежить в основі розглянутої взаємодії 
S i0 2 з оксидом Са в системі C a 0 -S i0 2-H20 . Причому ці ж питання розглядав 
і А. Ле Ш ательє, і В. М іхаеліс. Уже в той час було зрозуміло, що СаО реагує 
з аморфним оксидом кремнію, в результаті чого утворюються гідросилікати 
кальцію, що не володіють постійним стехіометричним складом. Вони (ГСК) є 
гелями, що містять гідрати S i0 2, А120 3 і Fe(OH)3.
Таким чином, новоутворення в портландцементі у вигляді 
гідросилікатів кальцію формуються за рахунок хімічних реакцій між 
молекулами води, катіонами кальцію, аніонами кремнію, гідроксильних груп 
ОН', молекул або іонів добавок з бертолідами (силікатами кальцію). Тобто це 
дійсно хімічний процес, який передбачає наявність конкретної енергії 
активації. При змішуванні цементу з водою диполі Н20  притягуються до 
кислотних і основних центрів мінералів клінкеру. В результаті 
спостерігаються розрив зв'язків і мимовільна екзотермічна необоротна 
дисоціація Н20  на частинках бертолідів.
ЦІ ж висновки зроблені в роботі [28], яка визначала роль води як 
енергетичне силове джерело в механізмах гідратації і набору міцності 
цементних систем тверднення.
Дослідження, в тому числі мікроскопічні, присвячені процесам 
взаємодії клінкерних мінералів з Н20  на поверхні частинок портландцементу 
довели, що по часу первісне розчинення мінералів відбувається протягом 
перших п'яти секунд. Первинні новоутворення (з відношенням СаО до 
оксиду кремнію рівне трьом, товщиною близько 0,8 нанометрів) фіксуються 
в проміжку від п'яти секунд до однієї хвилини. Потім утворюється вторинний 
гідрат (з відношенням СаО до оксиду кремнію дорівнює двом, товщиною 6 
нанометрів). В цей же час фіксуються і перші кристали Са(ОН)2 - гідроксиду 
кальцію.
Так як утворюється плівка з гідратів та інших продуктів бурхливої 
інтенсивної хімічної реакції має достатню щільність, то вільний доступ 
об'ємної води до поверхні частинок утруднений. Тому всі процеси значно 
сповільнюються. Цей етап найчастіше розглядають як індукційний, в 
результаті якого цементний розчин не зазнає ніяких зовнішніх змін. При 
цьому хімічні реакції тривають, тільки не так інтенсивно (з меншою 
швидкістю). Так, в плівковій рідині концентруються іони ОН", К , Na та 
інші. В результаті система твердіння стає рівноважної, що в свою чергу є 
причиною прискорення утворення ГСК.
36
Під первинними гідратами формується так званий «шар Тейлора», який 
складається з твердих новоутворень. Вони і складають так звану структуру 
внутрішнього ритму. Цей шар Тейлора інтенсивно збільшується не тільки 
кількісно, але і в обсязі, тим самим створюючи під первинною плівкою 
напруги, в результаті яких плівка знищується і ш видкість хімічних реакцій 
збільшується за рахунок можливості проникнення води до мінералів. Крім 
того, і продукти реакції (первинні і вторинні гідрати, а також портландіт) 
виносяться в дисперсійне середовище. Починаються процеси формування з 
гідратів зовніш нього кордону «сфери Тейлора» або структури зовнішнього 
ритму - з кристалів лускатої, волокнистої і голчастої структури. Цей механізм 
структуроутворення постійно повторюється, утворюючи все нові сфери 
внутрішніх і зовнішніх ритмів. Цим пояснюють шарувату будову речовини з 
продуктів реакції навколо кожної частинки портландцементу.
На рівні всього композиційні матеріали крім процесів, пов'язаних з 
активністю цементу, необхідно розглянути і механізми взаємодії між іншими 
дисперсними складовими: феромагнітними наповнювачами і дрібним
заповнювачем - кварцовим піском. Відомо, що будівельно-технічні 
властивості, а особливо механічні характеристики композиційних матеріалів 
визначаються видом зв'язків дисперсних частинок.
П.А. Ребиндер [28], розглядаючи фізико-хімічну сутність дисперсних 
структур, вважав, що поділ їх на коагуляційні, конденсаційні і 
кристалізаційні системи, дозволить більш точно розібратися з цим питанням. 
У коагуляційних системах твердіння зв'язку між зернистими компонентами 
відбуваються через прошарки плівкової води, тому чинними є слабкі 
вандерваальсовські сили міжмолекулярної взаємодії. Коагуляційні системи 
твердіння залежать від кількості об'ємної води, від якої буде залежати 
рухливість і пластичність цементного розчину, а також міцність, яка відносно 
низька.
У конденсаційних системах обов'язково виникають хімічні зв'язки, 
обов'язковою ознакою яких є контакт між зернистими складовими. Такі 
структури мають високу міцність, крихкість і необоротність властивостей 
при руйнуваннях (наприклад, механічних або термічних впливах). 
Кристалізаційні структури формуються за рахунок з'єднання новоутворень в 
просторовий кристалічний каркас. При цьому формуюча структура повинна 
мати відносно правильну будову. М іцність при цьому безпосередньо 
залежить від структурних характеристик.
По-перше, в системі твердіння утворюються кристалогідрати (в 
результаті хімічних реакцій і зв'язування молекул полярної Н20 ).
37
Новоутворення є високодисперсними частинками, в силу чого відбувається 
перехід води в плівковий стан.
Так як спочатку в системі складається високе значення водоцементого 
відношення, то внаслідок процесів гідратації і гідролізу формуються 
обмежені умови в цементній суспензії, які призводять до формування 
коагуляційних структур.
Потім через насиченість розчину і збільшення плівок рідини частинки 
новоутворень взаємодіють в місцях контактів внаслідок електростатичних і 
електромагнітних явищ. Плівкова рідина стає структурованою - набуває 
властивостей твердого тіла - так починається процес схоплювання розчину. 
Кількість «твердої» (пов'язаної) рідини збільшується через перетворення 
безводних мінералів в ГСК, які поступово заповнюють весь поровий простір. 
На цьому етапі інтенсивно синтезується міцність композиційних матеріалів, 
завдяки збільш енню кількості контактів.
Таким чином, відбувається перехід від конденсаційних і коагуляційних 
структур до кристалізаційним, що мають особливу міцність (на основі 
хімічних зв'язків). Ці зміни контактів відбуваються в результаті зменшення 
товщини плівок води.
В результаті літературного огляду були виявлені наступні положення, 
які лягли в основу структуроутворення систем тверднення цементних 
композиційних матеріалів:
- гідравлічна активність систем визначається розмірами іонів, їх зарядами, 
ступенем поляризації і координаційним числом;
клінкерні мінерали проявляють активність в залежності від їх 
е л ектронегативності;
- в'яжучі властивості залежать від координації активних катіонів 
портландцементу - знижена координація іонів кальцію при взаємодії з водою 
переходить в більш стійку - підвищується до шести;
- при оцінці потенціалу прояви активності необхідно враховувати дефекти і 
спотворення в будові клінкерних мінералів - це теж  призводить до зміни 
координації;
- прояв активності внаслідок формування міжкристалічних контактів в 
системах твердіння має бути пов'язане з виникненням координаційних і 
водневих зв'язків, що особливо проявляється в сполуках з ненасиченими 
іонними або зміш аними іонно-ковалентними зв'язками;
- процес структуроутворення (схоплювання і твердіння) визначається 
хімічними, фізико-хімічними та фізичними взаємодіями і супроводжується 
гідратоутворенням.
38
Висновки за розділом 1.
Проаналізовано стан питання по темі кваліфікаційної роботи магістра. Таким 
чином, цементні будівельні ін'єкційні матеріали з використанням в якості 
наповнювачів відходів металургійного виробництва, в тому числі 
конвертерних шлаків і продуктів обточування сталі абразивними 
інструментами, можна вважати композитами, що володіють багаторівневою 
ієрархічно організованою конгломератною структурою. При цьому, як на 
рівні цементного зерна, так і на рівні контакту з наповнювачами та 
заповнювачами, виділяються масштабні рівні, що представляють собою два 
компоненти: просторово-безперервну матрицю і детерміновано-стохастично 
розподілені в ній інертні або частково активні зміцнюючі елементи.
39
РОЗДІЛ 2. М ЕТОДИ КА ДО СЛІДЖ ЕН Ь ТА АН АЛІЗ П ЛАН УВАН НЯ  
ЕКСП ЕРИМ ЕН ТУ
2Л Вихідні матеріали, аналіз їх властивостей і вимог, що пред'являються  
до них
Для аналізу нових складів ефективних ін'єкційних композиційних 
матеріалів на основі цементу для закладення тріщин в залізобетонних 
конструкціях досліджувалися міцності, реологічні та адгезійні властивості 
активованих магнітним полем систем тверднення, що складаються з 
цементно-піщ аних і цементно-водних сумішей з тонкодисперсним 
наповнювачем з конвертерних шлаків і відходів обробки металів 
абразивними матеріалами.
На основі попередніх експериментальних даних в якості в'яжучої 
речовини для виготовлення дослідних зразків використовувався 
портландцемент марки ПЦ-500-ДО-Н, як більш доступний з досить 
задовільними для тампонажних робіт міцністними і фізико-механічними 
характеристиками (таблиця 2 .1) .
Таблиця 2.1 - Фізико-механічні характеристики портландцементу
ПЦ-500
№ Характеристики Одиниця Чисельні значення
п/ виміру
п фактичні за ДСТУ
1. Міцність на вигин (вік МПа 7,1 ±0,3 5,9
твердіння - 28 діб)
2. Міцність на стиск (вік МПа 52,1 ±2 49,0
твердіння - 28 діб)
3 Міцність на стиск у віці 3 МПа 28±1 -
доби
4. Тонкість помелу через сито % 91 ±2 Не менше 85
0,08
5. Добавки % Немає -
6. Нормальна густота % 24±1 -
цементного тіста
7. Терміни схоплювання Год. хв. 2:30±1:00 Не раніше 45 
(год.: хв.): 4:00±1:20 хв. Не пізніше 
- початок 10 годин
- закінчення
Показники по хіміко-мінералогічному складу портландцементу ПЦ- 
500-ДО-Н наведені в таблиці 2.2.
40
Таблиця 2.2 - Хіміко-мінералогічний склад портландцементу ПЦ-500-ДО-Н
№ Хіміко- Одиниця Чисельні значення
п / п мінералогічний виміру фактичні За ДСТУ
склад
1. MgO % 1,4 Не более 5
2. SO, % 0,30±0,03 Не более 3,5
3 CI % 0,07±0,02 -
4. CaO вільний % 0.09 -
5. Нерозчинний осад % 0,35 -
6. Втрати при % 0,10±0,02 -
прожарюванні
7. C3S % 62±2 -
C2S % 15±2 -
СзА % 5,5±2 -
c 4a f % 11,5±0,3 '
Дрібним заповнювачем в зразках з цементно-піщаних сумішей був 
пісок з місцевих кар'єрів.
Характеристика основних властивостей дрібного заповнювача 
(кварцового піску) приведена в таблиці 2.3.
Таблиця 2.3 - Гранулометричний склад дрібного заповнювача
номери Часткові і повні залишки в ситах з діаметром Модуль П и л у в  
партії отворів, мм крупно аті і 
2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 сті
гл и н и с  
ті
ч а с ти н
к и ,%
1 - - 6,5 52,5 37,0 1,6 2,5
6,5 59,0 96,0
2 - 2,0 2,0 6,0 43,5 41,5 1,5 2,5
8,0 51.5 93,0
Вода для замішування в'яжучого задовольняла діючим вимогам..
Наявність в ній неорганічних речовин, цукру і фенолу не перевищувало 10
мг/л. Водневий показник рН, який визначається потенціометричним методом
за допомогою приладу ЛП-5, знаходився в межах 4-10. М аксимальний вміст в
воді розчинних солей, а також іонів 8 0 ' 2 4 і СГ 1 не перевищувало
граничнодопустимі значення, наведені в таблиці 2.4.
41
Таблиця 2.4 - Допустимий вміст у воді розчинених солей, і• оні• в 8 0 ' 2 4 і СГ 1.
Вихідний М аксимально допустиме значення, мг/л
матеріал
Солей, що Зважених іонів
розчиняються частинок 8 0 '24 СГ1
Вода для 2000 200 600 350
замішування 
цементно- 
піщаних і 
цементно- 
водних 
сумішей
Як феромагнітний наповнювач цементних матриць в складах для
виготовлення дослідних зразків композиційних матеріалів використовувався 
конвертерний шлак металургійного комбінату і відходи обробки металів 
абразивними матеріалами підсобних виробництв, просіяні через сито з 
діаметром осередків 0,14 мм.
М інералогічний склад конвертового шлаку наведено в таблиці 2.5.
Таблиця 2.5 - М інералогічний склад конвертерного шлаку (вміст
мінералів,%)
Білит Браунмелі Ферит, Магнетит, ІІО- Проміжна
ріт геленіт гематит фаза Залізовміс фаза
на частина
35-45 20-28 8-18 9 3 4 12
Зерновий склад і дробильність шлаку з проб, відібраних в відвалах, наведені
в таблиці 2.6
Таблиця 2.6 - Зерновий склад конвертерних шлаків з відібраних проб в відвалах
Місце відбору Маса, Фракції, мм,%
конвертерних кг
шлаків на
майданчиках
металургійного 0-10 10-20 20-40 більше 40
комбінату
Склад проміжний 68,4 25,4 11,2 16,5 46,9
Траншея ККЦ-1 82,6 36,8 14,2 16,3 32,7
Траншея ККЦ-2 64,2 34,4 22,1 19.8 23,7
В середньому: 32,2 15,8 17,5 34,5
Зміст магнітної і залізовмісної частини тонкодисперсного
конвертерного шлаку, просіяного через сита, відображено в таблиці 2.7
42
Таблиця 2.7 - Вміст магнітної і залізовмісної частини конвертерних
шлаків НЛМ К
Діаметр сит, мм Частковий Зміст, %
залишок на 
ситах.% відмагнічених заліза в магнітній 
компонентів частині
2,5 21,9 16,5 17,2
1,6 12,7 17,4 6,5
1,0 11,1 20,9 5,8
0,4 20,9 23,8 4,1
0,1 21,3 15,4 2.5
Дно 12,1 6,0 0,7
Середнє значення 16,7 6,1
Основні фізичні властивості тонкомолотого шлаку, використовуваного в
зразках для визначення властивостей цементних композиційних матеріалів, 
наведені таблиці 2 .8.
Таблиця 2.8 - Характеристики конвертерних шлаків
№ Властивості Номери проб
п/п 1 2 3 4 Середні
значення
1. Справжня 3500 3600 3600 3700 3600
щільність, кг/м'’
2. Насипна 1702 1695 1687 1799 1721
щільні• сть, кг/м 3
3. Середня 3122 3353 3278 3265 3254
щільність. кг/мл
4. Питома 302,8 302,5 304,1 303,0 303,1
поверхня 
тонкомолотого 
наповнювача, 
м2/ кг
5 Діаметр 6,00
частинок
наповнювача,
(розрахований
за питомою
поверхнею),
мкм
Крім конвертерних шлаків як тонкодисперсного наповнювача в зразках 
для експериментальних досліджень використовувалися продукти 
обточування сталі електрокорундом нормальним, так як його фізичні
43
властивості, мінералогічний і хімічний склад повною мірою відповідали б 
цілям і завданням досліджень, поставленим в роботі.
У таблиці 2.9 наведені основні властивості електрокорунду нормального, 
використовуваного для виготовлення дослідних зразків.
Таблиця 2.9 - Властивості електрокорунду нормального для обробки металу
№ Властивості Одиниця виміру Чисельні значення 
п/п показників
1. Щ ільність кг/м'’ 3850-3950
2. Мікротвердість ГПа 18,9-19,6
3. Граничне навантаження Н 8,6-19,9
4. Абразивна здатність г 0,06
5. Ріжуча здатність г/хв.. 0,036
6. Насипна щільність кг/м3 1780
7. Зміст феромагнітних частинок в % за масою 43,6
продуктах обточування
2.2 Обладнання для визначення властивостей композиційних матеріалів 
на основі цементу
Для оцінки можливості використання цементно-піщаних і 
цементноводних сумішей з тонкодисперсними наповнювачами в якості 
композиційних матеріалів на основі цементу для закладення тріщин в 
залізобетонних конструкціях, які в захисних спорудах є зовнішнім контуром 
герметизації, необхідно знати їх характеристики міцності і деформативні 
характеристики (міцність на стиск і вигин, модуль пружності), адгезію, 
реологічні властивості (в'язкість і напругу зсуву), усадку і газо- (повітро) 
проникність.
За міцностними властивостями композиційних матеріалів судять про 
їхню здатність чинити опір процесу тріщиноутворення при герметизації 
дефектних зон. За значеннями адгезійних характеристик композиційних 
матеріалів - можна говорити про достатність їх зчеплення з поверхнями 
тріщин в процесі твердіння в місцях закладення. Знання реологічних 
властивостей композиційних матеріалів необхідно для організації якісної 
технології тампонажних (ін'єкційних) робіт.
44
У зв'язку з використанням для приготування композиційних матеріалів 
тонкодисперсних феромагнітних наповнювачів з конвертерного шлаку і 
відходів обробки металу абразивними матеріалами (електрокорундом) 
доцільно також визначити і деякі інші їх додаткові властивості: магнітну 
сприйнятливість композиційних матеріалів, магнітну індукцію і 
магніторушійну силу в дефектній зоні в процесі заповнення тріщини 
тампонажною магнітною сумішшю під впливом локального магнітного поля 
(особливо, коли за допомогою композиційних матеріалів закладаються 
тріщини на контакті метал-бетон). При певних параметрах локального 
магнітного поля, тиск нагнітання тампонажної суміші в тріщину можна 
зменшувати на величину магніторуш ійної сили. Наведені обґрунтування 
необхідності дослідження конкретних властивостей композиційних 
матеріалів дозволили визначити програму експериментальних досліджень і 
необхідний перелік випробувального устаткування (таблиця 2 .10).
Таблиця 2.10. Програма експериментальних досліджень та перелік 
випробувального обладнання
№№ Досліджувані властивості в Зразки, мм Випробувальне
п/п процесах експериментальних обладнання
досліджень
1 2 3 4
1. М іцність на стиск цементно- Куби М ашина 
піщаних ТКМ  для широких 40x40x40 випробувальна 
тріщин універсальна ІР 
5082-50
2 М іцність на вигин цементно- Призми
піщ аних ТКМ  для широких 40x40x160
тріщин
3 М іцність на стиск цементно- Циліндри 
водних ТКМ  для вузьких діаметр 40
тріщин
4 М іцність на розтяг при згині Призми
цементно-водних ТКМ  для 40x40x160
вузьких тріщин
Питома поверхня і діаметр - Поверхньомір 
частинок наповнювача ПМ Ц - 500
5 Усадкові деформації Призми Індикатори
45
ЮОхЮОх годинного типу, 
400 штанги, хомути з 
гвинтовим 
кріпленням
6 Розпливання конуса цементно- Конус і
водних сумішей струшуючий
столик
7 Осадка конуса «СтройЦНІЛ» в Конус
цементно-піщ аних сумішах «СтройЦНІЛ» і 
стандартне відро
8 Напруга зсуву композиційних Самостійно
матеріалів виготовлений
пристрій
9 Адгезія - Адгезіметр типу 
«Константа»
10 М агнітна індукція від джерел Зразки металу Вимірювач 
локального магнітного поля в різної товщини: магнітної індукції
тріщині на контакті метал- 3; 5; 10
бетон
11 М агнітна сприйнятливість Самостійно
суміші ТКМ (за методом виготовлений
Квінке) пристрій
12 Газо- (повітропроникність) Куби М ікроманометр
композиційних матеріалів 100x 100x 100 ммн,
газолічільник
ДСБ-400
2.3 Визначення характеристик міцності властивостей композиційних
матеріалів на основі цементу
М еханічні властивості (міцність на стиск і міцність при вигині) 
визначалися за зразками з наступними розмірами - 40x40 і 40x40x160 мм, які 
набирали міцність в природних умовах при температурі (18 ± 2)°С (мал. 2.1).
М алюнок 2.1 -  Зразки у вигляді призм 40x40x160 мм
46
На малюнку 2.2 показані схеми випробування матеріалів на міцність, на 
стиск і на вигин.
М іцність на стиск і на вигин Я/визначалася за формулами:
Яс= Р/А (2.1)
Я/ =М Л¥ (2.2)
де Р - руйнівне навантаження, Н; А - площа поперечного перерізу зразка, 
мм2; М  - згинальний момент, Н-мм; W - момент опору матеріалу зразка, мм3.
а б
Р
і
А  ^ 0
і  і --- 1
Г............1.. 1
М алюнок 2.2 - Схеми випробування експериментальних зразків: а - на стиск і 
б- на розтягнення.
Відповідно до ГОСТ 310.4-81 міцності цементних композиційних 
ін'єкційних матеріалів визначалися по максимальній напрузі в зразках в 
момент їх руйнування. При цьому в якості випробувального устаткування 
використовувалася універсальна випробувальна маш ина ІР 5082-50, принцип 
роботи якої заснований на примусовому навантаженні зразка при 
одночасному виміру навантаження і відповідній їй величині деформації з 
передачею даних на системний блок і монітор комп'ютерного комплексу 
(мал. 2.3).
М алюнок 2.3 - Універсальна випробувальна маш ина ІР 5082-50 - загальний 
вигляд
47
2.4 Оцінка адгезійних властивостей композиційних матеріалів на основі 
цементу
Адгезійні характеристики композиційних матеріалів на основі цементу 
визначалися за допомогою механічного адгезіметра «Константа-А» (мал. 2.4). 
В основу визначення адгезійних властивостей композиційних матеріалів був 
покладений принцип вимірювання зусилля відриву металевого грибка від 
матеріалу випробовуваного затверділого зразка. Зусилля відриву 
створювалося поворотним пристроєм адгезіметра, що складається з пари: 
гвинт-гайка і взводячий пружинний механізм. Кількісно зусилля відриву 
визначалося по відхиленню стрілки адгезіметра «Константа-А» щодо шкали 
[ЗО].
Процес визначення величини зчеплення композиційних матеріалів з 
металом і бетоном був організований у два етапи. На першому етапі 
проводилася підготовка приладу, на другому - оцінка адгезійних 
властивостей шляхом відриву грибка від поверхні затверділого протягом 
семи діб покриття з композиційних матеріалів, укладеного у внутрішню 
кругову порожнину металевої кільцевої прокладки. Товщ ина покриття (3 мм) 
дорівнювала товщ ині кільцевої прокладки.
М алюнок 2.4 - Адгезіметр механічний «Константа А»: 1 - поворотний 
механізм пружинного навантажувального пристрою; 2 - грибок; 3 - захватний 
механізм.
48
Розрахунок величини граничного напруження зчеплення складів 
композиційних матеріалів з металом і бетоном проводився за формулою:
Осо = Р0/А 0 (2.3)
де асо - максимальне напруження зчеплення покриття з композиційних 
матеріалів (на відрив), Па; Р0 - сила відриву, Н; А 0 - площа відриву (площа 
нижньої межі грибка), мм2.
2.5 Аналіз визначення питомої поверхні і діаметра частинок 
феромагнітного наповнювача
Оцінка значень питомої поверхні тонкодисперсних наповнювачів з 
конвертерного шлаку і відходів обробки металів електрокорундом 
проводилася за допомогою спеціального приладу - поверхностемера ПМ Ц - 
500 (мал. 2.5). Зазначений параметр заснований на принципі використання 
рівняння Козени-Кармана, яке встановлює, як залежить питома поверхня 
матеріалу від швидкості фільтрації повітря при проходженні через шар 
повітропроникненої прокладки [22].
М етодика визначення питомої поверхні тонкодисперсних 
наповнювачів складалася з наступних етапів. П М Ц -500 розміщували в 
сухому приміщ енні. У манометрі приладу з підфарбованою дистильованою 
водою рівень рідини встановлювали на позначку «нуль». Після чого 
оцінювали поверхностемер на герметичність з урахуванням того, що в 
процесі створення розрядження в манометрі ПМ Ц-500 рівень рідини не може 
знизитися більше, ніж на два міліметри протягом тридцяти хвилин.
Потім тонкодисперсний наповнювач (або пісок) висушувався до 
постійної маси і охолоджувався до кімнатної температури, після чого 
наважку речовини насипали в кювету з попередньо укладеним в ній кружком 
фільтрувального паперу, вирівнювали шар матеріалу і прикривали другим 
гуртком фільтрувального паперу. За допомогою ноніуса на планці поршня і 
шкали на зовнішній поверхні кювети вимірювали висоту шару 
досліджуваного матеріалу. Далі поршень віддалявся з кювети, відкривався 
кран і за допомогою системи манометрів створювалося розрядження під
49
шаром досліджуваної речовини. За секундоміром заміряли час Т 
проходження меніска рідини між ризиками на шкалі ПМ Ц-500 (після 
закриття крана). З урахуванням товщини шару Ь досліджуваного матеріалу і 
температури повітря в приміщенні /°С визначали так званий робочий 
параметр М.
М алюнок 2.5 - Прилад ПМ Ц-500 для визначення питомої поверхні 
порош коподібних матеріалів
Н а основі зафіксованих даних визначали питому поверхню
випробуваного наповнювача за такою формулою:
^  м у і
Ют (2.4)
де Б і - питома поверхня матері• алу, м 2 /кг; К - коефі• ці• єнт, пості•йний для ПМЦ-
500; М- робочий параметр, який визначається по висоті речовини в кюветі з 
урахуванням температури повітря; Т/ - час проходження меніска рідини в 
трубці манометра між ризиками; т  - маса проби випробуваного 
наповнювача.
Визначення розміру часток феромагнітного наповнювача вироблялося 
виходячи з такою залежністю:
у н ы 1
т ' (2.5)
де N  - кількість частинок, й  - діаметр зерен; т - маса проби.
З огляду на те, що щільність наповнювача р визначається виразом
6/7?
(2.6)
50
діаметр частинок феромагнітних наповнювачів розраховували за формулою
[П]
(2.7)
2.6 Аналіз визначення газонепроникності тріщин на поверхнях розділу 
метал-бетон та бетон-бетон
Якість закладення тріщин в залізобетонних конструкціях можна 
визначати за допомогою такого показника, як опір повітропроникності (І^р) 
через відому площу дефектного місця. Саме таку рекомендацію пропонують 
дослідники [7].
М етодика дослідження повітропроникності місць закладення тріщин за 
допомогою композиційних матеріалів розроблена на основі вимог ГОСТ 
25891-83 і з урахуванням наступної наукової гіпотези. При фіксованих 
ламінарних параметрах фільтрації кількість газу V, що проходить через 
площу А гомогенного матеріалу (товщиною 8) за годину при перепаді тиску 
по обидва боки огорожі Др, можна визначити за законом Ланга [7]:
К фДрАі
(2 .8)
• • • З
де kqp - коефіцієнт повітропроникності, м /(м -ч-даП а).
Звідки параметр, що визначають: - коефіцієнт повітропроникності можна 
отримати із залежності:
(2.9)
Експериментально визначити коефіцієнт повітропроникності можна на 
установці, яка представлена на малюнку 2 .6 .
51
б)
М алюнок 2.6 - Обладнання для визначення газопроникності місць
ін'єкційного ущільнення тріщин в конструкції: а - схема приладу; б - 
загальний вигляд установки, де 1 - повітродувка (пилосос); 2 - ГСБ-400 - 
газолічильник; 3 - вакуумна камера; 4 - М М Н-250 -  манометр.
М етодика оцінки опору повітропроникності тріщини, в яку ін'єкційним
тиском закачувалася тампонажна суміш з композиційних матеріалів, 
включала наступні робочі операції. На місце розташ ування тріщини 
встановлювалася вакуумна камера, що має внизу два штуцери. За рахунок 1 - 
го штуцера через ГСБ-400 в дефектне місце подавалося повітря. Потім
52
манометром М М Н-250 за допомогою другого штуцера визначався 
надлишковий тиск газу у вакуумній камері. Подача повітря в вакуумну 
камеру забезпечувалася за рахунок роботи повітродувки будь-якого типу 
(наприклад, за допомогою звичайного пилососа).
Перепад тиску газу регулювався автоматичним трансформатором Латр- 
1М. Обсяг газу, що пройшов через досліджуваний матеріал, вимірювався за 
допомогою газолічильника. Перед початком роботи експериментального 
обладнання фіксувалися температура, тиск і вологість навколишнього 
повітря. Після цього забезпечували створення ступеневого перепаду тиску - 
40, 80, 120, 160, 200 даПа (мм вод. ст.) по обидві сторони
експериментального матеріалу.
Як тільки режим фільтрації стабілізувався, фіксували початковий 
показник за шкалою ГСБ - 400 пи  і включали таймер. Через п'ять хвилин 
обладнання і таймер відключали. Обсяг газу, який пройшов через 
відремонтований стик, розраховували виходячи з різниці двох наступних 
відліків газового лічильника (ц = щ., -п;). Кількісно витрату повітря визначали 
наступним чином:
Уа = -- И ~ П| .
1 (2 .10)
Для порівнянності результатів масової витрати повітря Р, отриманих при
різних умовах, розрахунок повітропроникності рекомендується доповнити
перерахунком кількості фільтрації повітря за формулою:
= РаУа,
де ра - щ ільність повітря при атмосферному тиску і температурі умов 
експерименту, кг/м3.
Величина перепаду тисків у вакуумній камері розраховувалася виходячи з 
формули:
Др = кАрі, (2.11)
де к - розрахунковий коефіцієнт манометра М М Н-250, що враховує кут 
нахилу вимірю вальної трубки.
53
к§р (коефіцієнт повітропроникності) визначали для всіх значень східчастих 
перепадів тиску у вакуумній камері. Виходячи з результатів, будувалися 
залежності і оцінювалися режими фільтрації газу через дослідний зразок 
(ламінарний або турбулентний). Після чого обчислювався опір 
повітропроникності ЇІЄр,:
И^р, = 1 / К ^ р  ( 2 . 1 2 )
де Я8р- опір повітропроникності (м-ч-даПа)/м3.
2.7 Оцінка магнітної індукції на поверхні металу від джерела  
зовніш нього локального магнітного поля
Для дослідження параметрів локального магнітного поля на поверхні 
металевих зразків, що імітують заставну деталь входів і вводів 
огороджувальних конструкцій захисних споруд, була змонтована спеціальна 
лабораторна установка, що включає електромагніт; прилад для визначення 
параметрів струму в обмотці котушки електромагніту; автотрансформатор 
Л атр-ІМ  для регулювання величини напруги і сили струму, селеновий 
випрямляч для створення параметрів постійного струму в обмотці котушки 
електромагніту.
М агнітну індукцію локального магнітного поля на поверхнях зразків 
металу протилежних установці електромагніту, який імітує заставну деталь 
входів і вводів огороджувальних конструкцій захисних споруд, визначали 
приладами: вимірником параметрів електричного і магнітного поля ВЕ - і 
вимірником магнітної індукції з датчиком Холла (мал. 2.7).
Випробовувальними зразками були металеві пластини зі сталі СтЗ 
товщиною: 3; 5 і 10 мм. їх  товщина відповідала товщині натурних металевих 
комінгсів входів в захисні споруди і товщині фланців для введення в ці 
споруди трубопроводів інженерних комунікацій, на контактних поверхнях з 
бетоном, в яких виникають тріщини від усадочних деформацій бетону.
Отримані значення магнітної індукції визначали необхідні параметри 
магнітної обробки цементно-піщаних і цементно-водних сумішей на другому 
етапі активування цементно-водних систем композиційних матеріалів.
54
а) б)
М алюнок 2.7 - Прилади для вимірювання магнітної індукції на поверхнях 
металевих зразків: а - вимірником параметрів електричного і магнітного поля 
ВЕ - метром; б - вимірником магнітної індукції з датчиком Холла.
2.8 Вимірювання магнітної індукції в порожнині котушки для оцінки
параметрів активування води і композиційних матеріалів
Активація води для виготовлення зразків композиційних матеріалів 
вироблялося магнітним потоком, утвореним всередині котушки 
електромагніту (мал. 2.8а). Чисельні значення магнітної індукції визначалися 
розрахунковим способом за величиною сили струму, що відслідковується 
амперметром, і числу витків в обмотці котушки електромагніту з 
урахуванням розмірів її конструктивних елементів [3] (мал. 2 .86).
М алюнок 2.8 - Загальний вигляд установки по активуванню води (а) і схема 
котушки електромагніту (б): 1 - обмотка котушки; 2 -  порожнина котушки. 
М етодика розрахунку магнітної індукції в порожнині котушки
1. Визначення індуктивності котушки електромагніту:
0,08£>2А 2
3 0  + 9^ + 10(7’ (2.13)
55
де Ь - індуктивність котушки електромагніту, Гн; В  - середній діаметр
котушки,с м; Т4- число витків обмотки котушки електромагніту, шт.; / -
довжина котушки, см; 8 - товщ ина обмотки котушки, см.
2. Визначення магнітного потоку:
Ф і=Ь-іі, (2.14)
де Ф і - магнітний потік, Вб; І; - сила струму в обмотці котушки
електромагніту, А.
3. Визначення магнітної індукції:
В і =(Ф і/А), (2.15)
де А - площа поперечного перерізу порожнини котушки електромагніту, м2.
2.9. Аналіз визначення усадочних деформацій композиційних матеріалів 
Усадкові деформації композиційних матеріалів визначалися на зразках 
100x100x400 мм. Зразки зберігалися в лабораторному приміщенні у 
звичайних умовах з температурою (18 ± 2)°С при вологості (60 ± 10)% (мал. 
2.9).
1
2 
З
М алюнок 2.9 - Зразок та вимірювальні засоби для оцінки усадочних 
деформацій композиційних матеріалів: 1 - зразок 100 хЮО х 400 мм; 2 - 
хомути з куткової сталі; 3 - індикатор годинникового типу; 4 - штанга 
(сталевий електрод для зварювальних робіт)
Чисельні значення усадочних деформацій композиційних матеріалів
(Єу) визначалися як відношення довжини усадки матеріалу зразків, що
56
фіксується індикаторами годинникового типу до довжини бази виміру, тобто 
до відстані між полицями хомутів: (єу)=(Д///).
2.10 Дослідження магнітної сприйнятливості композиційних матеріалів
Оцінка магнітної сприйнятливості матеріалів композиційних матеріалів 
проводилася за методом Квінке - по висоті зміни меніска рідкої фази сумішей 
Дії в капілярі під впливом магнітного поля (малюнок 2.10):
аі7- Но2(Х~Хо)
’ (2.16) 
де Дії - зміна рівня висоти рідини; Н - напруженість магнітного поля; у - 
магнітна сприйнятливість речовини; магнітна сприйнятливість повітря.
М алюнок 2.10 - Експериментальне обладнання для оцінки магнітної 
сприйнятливості ін'єкційних сумішей композиційних матеріалів.
М агнітна сприйнятливість повітря %о - параметр відомий, напруженість
магнітного поля визначалася за величиною магнітної індукції, а зміна висоти
меніска замірялася візуальним способом.
2.11 Аналіз напружень зсуву сумішей композиційних матеріалів
Для оцінки напружень зсуву сумішей композиційних матеріалів різного 
складу використовувався пристрій з градуйованого скляного циліндра з 
поршнем і медичний тонометр (мал. 2.11). Попереднє тарування дозволило 
встановити початкові напруги (т0), створювані медичним тонометром при 
переміщенні поршня в скляному циліндрі без сумішей композиційних 
матеріалів за рахунок тиску повітря, створюваного грушею (мал. 2 . 12). 
Потім, з урахуванням тарувальних даних, за допомогою все того ж тиску 
повітря, здійснювалось зрушення поршня з цементними сумішами
57
композиційних матеріалів різних складів з визначенням величини напруги 
цього зсуву ( i n c ) .
Чисельні значення напруг зсуву кожного складу сумішей 
композиційних матеріалів визначалися як різниця напруги Тпсі то:
Т с= Т п с-Т 0 (2.16)
М алюнок 2.11 - Пристрій для визначення напруги зсуву сумішей
композиційних матеріалів: 1 - скляний градуйований циліндр; 2 - медичний 
тонометр.
П ерем іщ ення порш ня, мм 
М алюнок 2.12 - Тарувальний графік залежності напруги зсуву поршня 
в скляному циліндрі від його переміщень.
2.12 Планування експериментів математичними методами
Для оптимізації складів композиційних матеріалів по міцності був
проведений аналіз повного факторного експерименту типу N = 23, де N -
58
кількість дослідів, 2 - число рівнів варіювання факторів і 3 - число 
незалежних змінних.
Планування експерименту ґрунтувалося на тому, що в межах зміни рівнів 
варіювання модель матиме вигляд однорідного лінійного рівняння такого 
вигляду:
У (Я ) = В ^ В ІХ І,
ы (2.17)
де Y(R) - функція відклику; В0, Bj - коефіцієнти рівняння регресії; X; -
фактори.
Коефіцієнти Во та Bj для прийнятої моделі визначалися за формулами:
В „ = £ У .  (2.18)
„ =1 Л
(2 Х - У )
В = - ^ --------------- . (2.19)
/V
де u = 1 ... N - кількість дослідів в плані експерименту.
Переклад від натуральних значень факторів до кодованих і назад 
здійснювався за такими формулами:
Х і= —  (2.20)
З  t
max   w mm
./ = — 2— , (2.21)
де хі - кодоване значення і-го фактора; 2 \ - натуральне значення і-го фактора; 
іі - інтервал варіювання і-го фактора; г? - середнє значення і-го фактора.
Експеримент проводився з фіксуванням значень основних параметрів, 
що характеризують склад композиційних матеріалів. З метою виключення 
некоректних мінімальних і максимальних даних розраховували г-критерій 
(розрахунковий гР і табличний г-г) і середньоквадратичну помилку 
вимірювань - 57:
де к - кількість експериментів.
Необхідна умова -  гР < гт . Якщо гР > гт, то отриманий результат є неточним, і 
в розрахунках не використовується.
Потім розраховувалися дисперсії і визначалися середні значення параметрів 
оптимізації кожного експерименту. Для перевірки однорідності дисперсій і 
плануванні експерименту використовували критерій Кохрена (в ) . При цьому 
дисперсія в кожному рядку матриці розраховувалася за наступним виразом:
к — 1 (2.24)
Після чого визначалася максимальна дисперсія, яка ділилася на суму всіх 
дисперсій матриці:
с„ =
(2.25)
Розрахункове значення критерію Кохрена ЄР розраховувалося при числі 
ступенів свободи V = К -1 і V = N (де N - було число всіх дослідів плану, а К - 
кількість паралельних дослідів) і порівнювалось з табличним значенням Сг,. 
Якщо виконувалася умова {ЄР< Ог) - розрахункове значення Кохрена на 
перевищувало табличному, то дисперсії є однорідними.
Деякі з отриманих коефіцієнтів рівнянь регресії можуть не робити 
істотного впливу на поведінку всієї системи в цілому. Тому для кожного 
коефіцієнта за критерієм Стьюдента перевірялася їх значимість і визначався 
довірчий інтервал ДЬ за формулою:
(2.26)
де ї - критерій Стьюдента, .
60
Загальна дисперсія середнього 8 > - визначалася за формулою
і х
(2.27)
Критерій Ф ішера (Е-критерій) служить для визначення адекватності 
математичної моделі основним будівельно-технічним властивостям
досліджуваної системи. При цьому була визначена дисперсія адекватності
(залишкова дисперсія) Б 2  ^  як відношення залишкової суми квадраті• в Б 2 ост до
числа ступенів свободи /аО .
Л""'’=7 Г = " Л'--- (2.28)
де / а<г Н -2  - число ступенів свободи; х - число значущих коефіцієнтів
системи; у /  - розрахунковий параметр оптимізації для кожного експерименту. 
Після цього обчислювалося розрахункове значення критерію Фішера />:
° ' (2.32)
яке порівнювалося з табличним критерієм Ф ішера Еї.
Значення Пт приймалося при рівні значущості ц = 0,01 і числі ступенів 
свободи / ад= N-7 = 8-3 = 5.
Проаналізована отримана модель є адекватною, якщо виконується умова Рр < 
Нт.
61
РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ 
ВЛАСТИВОСТЕЙ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ 
НЕОРГАНІЧНИХ В’ЯЖУЧИХ
ЗЛ Оцінка міцностних, адгезійних властивостей композиційних 
матеріалів з відходів обробки металів абразивним інструментом та 
наповнювачами з шлаку.
Оцінка міцностних і деформативних властивостей композиційних 
матеріалів на основі цементу проводилася методом руйнування зразків на 
універсальній випробувальній машині ІР 5082-50. Адгезійні характеристики 
композиційних матеріалів, що визначають їх здатність зчеплення з 
матеріалами огороджувальних конструкцій будівель і споруд, 
досліджувалися за допомогою адгезіметра «Константа-А» [6]. 
Характеристика об'єктів і методи експериментальних досліджень міцності і 
адгезійних властивостей композиційних матеріалів наведені в розділі 2. 
Активація води для виготовлення зразків здійснювалася за допомогою 
спеціально сконструйованого і виготовленого пристрою (мал. 3.1).
М алюнок 3.1 - Пристрій для активації води і водних систем композиційних 
матеріалів: 1 - котушка електромагніту; 2 - транспортний трубопровід від 
системи водопостачання; 3 -  перетворювач змінного струму в постійний; 4 - 
автотрансформатор (Л атр-ІМ )
Процес транспортування води через локальне магнітне поле
здійснювався через змінні трубопроводи з діаметрами поперечного перерізу
сі] = 0,47 см і сІ2 = 0,88 см при швидкостях її руху VI = 96 см/с і = 130 см/с.
Час активації води магнітним полем в експериментальних дослідженнях
62
становила 11= 15с і 12=3с і його чисельні значення розраховувалися за 
формулою:
V
4 - ч  ( з . і )
де Ь - час активації води, с; V - об'єм активованої води, V = 250 см3; Аі -
площа поперечного перерізу транспортного трубопроводу, см 2 ; VI- швидкі•сть 
руху води в транспортному трубопроводі, см/с.
Оптимальне чисельне значення індукції магнітного поля для активації 
води і водних систем композиційних матеріалів В=0,378 мТл було визначено 
за експериментальними даними реологічних властивостей їх сумішей [16, 17, 
18]. Конкретно - по діаметру розпливу конуса сумішей різних складів 
композиційних матеріалів на струшуючому столику. Результати 
експериментальних даних наведені на малюнку 3.2.
ё зо Діаметр розпливання 
I I 2 п . конуса суміші, сі, см при 
з 263 і часу активації води і = 15с 
253 і силі струму в електромаг
23,<1 24, ніті І = 0,5 А
сЖв  М 24 
21
03 О£  *22, 3
Я 9
21 22,1 1  ^  п Діаметр розшивання
конуса суміші, <1, см при 
П 9 , 7  ̂20, часу активації води ї = Зс 
в- Ж£  СІь 18 і силі струму в електромаг
2і?  «Ча,  Н ніті І = 0,5 А
ч  з  я 0,189 0.284 0,378 0.472 0.567
Індукція магнітного поля В, м Гл
М алюнок 3.2 - Графічні залежності «розплив конуса сумішей - індукція 
магнітного поля» процесу активації води і водних систем композиційних 
матеріалів.
Оцінка міцністних і пружних властивостей композиційних матеріалів 
для закладення тріщин шириною 0,3-0,5 мм і 0,5-1,0 мм проводилася в 
процесі руйнування зразків двох типів [19], структура яких зміцнювалася 
тонкомолотими добавками з конвертерного шлаку і відходів обробки металів 
абразивним інструментом.
63
Результати експериментальних досліджень дозволили визначити 
характеристики міцності, деформативні та адгезійні властивості активованих 
цементно-водних композиційних ін'єкційних матеріалів з наповнювачем з 
тонкомолотого конвертерного шлаку, параметри яких наведені на мал. 3.3 -
3.10 та в таблиці 3.1.
М алюнок 3.3 - Графічні залежності «навантаження (й) - поздовжні 
деформації (/)», як результат процесу навантаження зразків серії 1: а - зразка 
номер 1; б - зразка номер 2; в - зразка номер 3; г - зразка номер 4. Склад 
зразків: водо-цементне відношення В/Ц=0,5; співвідношення мас
наповнювача з конвертерного шлаку і цементу - т н/ т ц=0,1 з водою, 
активованої локальним магнітним полем з індукцією В=0,378 мТл (при силі 
струму в котушці електромагніту І = 0,5 А і часу впливу 20 с)
64
а ) б)
..... ................. ............_... ?
......... ......... і..........[ ■ ;
і і \
......:.....
і г \
... і..... і і і 1
і
......... ......... ..... ....:. '  і ........
і і
і А
0.№ 120 і.ае
в) г)
М алюнок 3.4 - Графічні залежності «навантаження (И) - поздовжні 
деформації (/)», (як результат процесу навантаження зразків серії 2: а - зразка 
номер 5; б - зразка номер 6; в - зразка номер 7; г - зразка номер 8. Склад 
зразків: водоцементне відношення В/Ц=0,75; співвідношення мас
наповнювача з конвертерного шлаку і цементу - ш н/ т ц=0,1 з водою, 
активованою локальним магнітним полем з індукцією В=0,378 мТл (при силі 
струму в котушці електромагніту 1=0,5 А і часу впливу 20 с).
М алюнок 3.5 - Графічні залежності «навантаження (й) - поздовжні 
деформації (/)», як результат процесу навантаження зразків серії 3: а - зразка 
номер 9; б - зразка номер 10; в - зразка номер 11; г - зразка номер 12. Склад 
зразків: водо-цементне відношення В/Ц=0,5; співвідношення мас
наповнювача з конвертерного шлаку і цементу - т н/ш ц = 0,2 з водою, 
активованою локальним магнітним полем з індукцією В = 0,378 мТл (при 
силі струму в котушці електромагніту І = 0,5 А і часу впливу 20 с)
П родовження табл.. 3.1
Номер Склад ІКМ Співвідношення Параметри впливу П ЇВІН- Міцність на Модель Величина 
має активації водії ІКМ х і к^н • стиснення пружності зчеплення з 
ня. кН Ю. МІ 1а МПа металом т, 
кПа
^ \ о
с. 
о о сОЗ.
& В оСо- о
С_ о О
го осі о
}и._}Оп 1590.38
18 0 ’'О 19.и5о 16.98 1288.30' 1403. 1 - » 4
0.10 о: 25.38 1563.50
Г .8 3 0 122и.88
0.040 15.50 'м .о :
150 '00 9 .180 13.ОС А Є /49.
9.920 14 >..'0
8. “О 5 46
60 О! 12.*60 8 '* .
300 оО 0.50 18 80 18.24 1388.89 1098.5 9 6
1. 19 45 942.96
о о 11.950 Іб.о 1186.96 
6.880 о,і і4 506.62 
100 40 6.535 о .2б 9.24 480.'1 487.3 46.75
оосГ~ 9.63 485.*6 
АТА 51—.24
сг\
Таблиця 3.2 - Результати оцінки міцніє тних. пружних і адіеліших властивостей зразків ПСМ з наповнювачем з відходів 
обробки металів абразивним інструментом (площа поперечного перерізу зразка А = 1140 ммх діаметр зразка сі = 38,1 мм, 
індукція магнітного поля для активація води В = 0,378 м'І'.т
Н омер С клад ІКМ С піввіднош ен П арам етри впливу Н аван М іцність на М одуль Велп- 
ня мас активац ії води ІКМ таж ен стиснення пруж ності Е, М Па яіщ а 
ня кН 11«. М П а зчеплен 
ня ІКМ  з 
металом  
£ т. кП а
Э £ £
СҐ~З-: г~ -Ч
'Е. £ о ог>
Я 24С  ̂ га  т Т О
Г
1 15.75 13.82 -ч2 *"
і 2 зои зо 0.50 13.88 11.“4 12.92 8 О- .?' 649.3 66.7?
3 15.ОБ 13.20 520.і
4 0.1 8,58 “ .55 5*0.и
- 5 15о 200 20 0 .“ 5 "\°2 6.95 “ .1“ 425.1 429.2 44.92
6 0,50 20 10 8.01 “ .05 А 5 4 ^
7 12.58 10.8“ 655.8
4 8 300 00 0.50 0.20 13.99 12.28 11.04 ООАС рчСК § 57.13
9 11.3" 9.98 "84.0
10 5.83 5.12 416.2 52.38
4 і і 200 40 0.75 5.525 4 .6“ 4.85 254.2 З“0 .13
12 5.435 4,“ “ 467 >.0
■а-за
Зразка
вода
цемент
Сила струму, І. А
Час. І.о
Імпульс струму,!Ц 
Д-с
і- і . - зразка
Середнє значення
Продовження табл..3.2.
Номер Склад ІКМ Співвідношення Параметри впливу Наван Міцність на Модуль Вели-
мас активації води ІКМ тажень стиснення Лс, пружності Е, чина 
ня. кН МПа МПа зчеплен 
ня ІКМ з 
металом 
х, кПа
йСЗ —г
гоо. Ш
13 18.71 16.42 581,0
5 14 300 30 0.50 16,21 14,22 15,80 467,4 523,8 109.61
15 19.11 16,77 523.0
16 ОД 13,23 11.61 375,4
6 17 150 200 20 0Л5 11.96 10.5 11.07 753,5 562.4 58.40:
18 0,50 60 30 12.66 11.11 558.3
19 14.02 12,31 674,9
7 20 300 60 0.50 17.81 15.63 14.14 758.6 750.5 78.62
21 0,20 16.49 14,4? 817.9
22 5.45 4.78 256.8
8 23 200 40 0,75 8.08 7.09 6.01 424,9 340.2 37,36
24 7,02 6.16 338.8
ооо
Серії
вода
цемент
наповнювач
Наповнювача і 
цементу ш „/тц
Сила струму, I, А
Чае, 1,с
Імпульс струму,И, 
А с
І-ГО зразка
і-го зразка
Середнє значення
|і-го зразка
Середнє значення
69
На малюнку 3.6 наведено узагальнені дані, що характеризують міцністні 
характеристики ІКМ з наповнювачем з тонкомолотого конвертерного ш лаку 
від їх складів і параметрів активації води (водних систем) КМ  локальним 
магнітним полем.
зо
26.3 □  Індукція В 0,38 мТа; 
25 . час впливу і =  20 с.
20 . ІІ.24-
13,75 15,75
15 П  Індукція В 0Г38 мТл: 
10.92 час впливу і  ~ 40 с.
10 9Ш 9. і  6
П  Індукція В 0.38 мТл: 
час впливу і ~  60 с
0
Склад 1 С клад 2 Склад З Склад 4
Склади
М алюнок 3.6 - Діаграма, що відображає залежність міцностних
характеристик від складів і параметрів активації води і водних систем КМ  
локальним магнітним полем. Склади: 1 - В/Ц: т н/ т ц = 0,75:0,2; 2 - В/Ц: т н/ т ц 
= 0,75:0,1; 3 - В/Ц: т н/ т ц = 0,5: 0,2; 4 - В/Ц: т н/ т ц= 0,5:0,1
Наведені на малюнку 3.6 дані дозволяють зробити наступні висновки:
- міцності досліджуваних тампонажних матеріалів підвищуються зі 
зменшенням водоцементного відношення в сумішах і збільшенням часу 
впливу на воду і водні системи ІКМ  локального магнітного поля;
- відмічені на діаграмі масові співвідношення води, цементу, наповнювача і 
параметри активації води магнітним полем можуть бути основою для 
встановлення факторів і рівнів їх варіювання при оптимізації складів К М  
методом математичного планування експерименту.
По аналогічній методиці досліджувалися активовані локальним 
магнітним полем склади К М  з наповнювачем з відходів обробки металів 
абразивним інструментом (електрокорундом). Дані наведені в таблиці 3.2.
Результати даних попередніх експериментальних досліджень, наведені 
в таблицях 3.1, 3.2 і на малюнку 3.7, дозволяють зробити наступні 
твердження:
70
1. Більш високими характеристиками міцності, пружності і адгезійними 
властивостями володіють композиційних матеріалів з наповнювачем з 
тонкомолотого конвертерного шлаку. Ш лаки часто розглядаються в якості 
хімічно активних штучних «порід», які, на відміну від природних гірських 
порід, що володіють схожим хімічним складом, вступають в реакції 
гідратації і гідролізу через наявність в їх складі силікатів і алюмінатів 
кальцію.
За даними якісного і кількісного рентгенофазового аналізу в 
сталеплавильних шлаках всіх фракцій містяться основні фази, мас. %: ларнит 
- ß- 2 C a 0 -S i0 2 (24,07 - 37,0); оксид кальцію СаО (2,6 - 5,0); гідроксид 
кальцію Са(О Н )2 (20,0 - 24,0);вюстит FeO (4,7 - 6,9); графіт С(6,0 - 6,2) і 
маєнит 12 С аО 7А 120 3 (18,0 - 41,0).
Таким чином, синтез цементних ін'єкційних систем тверднення із 
застосуванням як феромагнітного наповнювача конвертерних шлаків, що 
відрізняються оптимальною міцністю і іншими будівельно-технічними 
властивостями, може бути пояснений і потенційною активністю шлаків, 
особливо виявляється при магнітній активації.
2. Для складів композиційних матеріалів з водо-цементними відношеннями 
В/Ц = 0,5 і 0,75 оптимальна величина індукції локального магнітного поля 
для активації води і водних систем композиційних матеріалів повинна бути 
рівною В = 0,378 мТл при силі струму в обмотці котушки електромагніту 
1=0,5А  і часу впливу ґ=60с (див. результати досліджень зразків складів 5 і 7 в 
таблицях 3.1 і 3.2) [9].
3. Результати випробувань композиційних матеріалів з наповнювачем з 
відходів обробки металів абразивним інструментом характеризуються більш 
низькими показниками міцності та іншими фізико-механічними 
характеристиками, а також значною мінливістю властивостей наповнювача 
(див. таблицю 3.2). Пояснити цей факт можна наступним чином. Як 
наповнювачі для експериментальних досліджень застосовувалися відходи
71
обробки сталі різної модифікації. При обробці більш міцної сталі кількість 
частинок металу в відходах зменшувалася зі збільшенням при цьому 
кількості частинок електрокорунду. І, навпаки, в разі обробки сталі меншої 
міцності металева фаза наповнювача з відходів обробки металу абразивними 
матеріалами збільшувалася. Збір відходів обробки металу з різних місць 
(різних виробництв) характеризувався нерівномірним складом [27]. В 
результаті напрош ується висновок про недоцільність використання відходів 
обробки металів як феромагнітного наповнювача композиційних матеріалів.
У зв'язку з цими висновками подальші експериментальні дослідження з 
оцінки інших властивостей і оптимізації складів були продовжені з 
композиційних матеріалів, наповнювачем цементних матриць у яких був 
тонкомолотий конвертерний шлак.
3.2 Аналіз оптимального значення сили струму в обмотці електромагніту  
пристрою активації води
Визначення оптимального значення сили струму в обмотці 
електромагніту пристрою активації води і водно-цементних сумішей 
композиційних матеріалів впливом локального магнітного поля проводилося 
за межею міцності на вигин зразків цементно-піщаного тампонажного 
композиційного матеріалу складу Ц: П: В: наповнювач з тонкомолотого 
конвертерного шлаку = 1 : 2 :  0,48: 0,1. Вік випробуваних зразків становив сім 
діб. Активація вихідних матеріалів проводилася в два етапи. Спочатку 
активізувалася вода для сумішей, потім водно-цементні суміші 
композиційних матеріалів. Характеристика та розміри зразків, а також спосіб 
навантаження і методика випробування наведені в розділі 2. Чисельні 
значення часу активації були: 1, 2 і 3 хвилини.
Результати експериментальних досліджень відображені на малюнку 3.7.
72
£  3.6
у>.
3.3
Ч а с  і ш л і ш у  і 1 х в и л и н а
. Ч а с  в п и ш у  ( 2  х ш г п ш н
ш т & ш т  Ч іК  ІШ Л ІИ ^  І '  Ч Н ІП И Н И .
О 0,1 0,2 0.5 0,8 1 2
СіІ.Ш СфУМУ В ІКПІОІШ е л е к і р о м г ші і і у  1. А
М алюнок 3.7 - Графічні залежності «сила струму - міцність композиційних 
матеріалів на вигин»
Наведені на малюнку 3.7 дані дозволяю ть зробити наступні
твердження:
- час впливу магнітного поля на воду не повинно бути більше 1 хвилини;
- доцільна сила струму в електромагніту пристрою активації повинна бути в 
межах 1=0,1-0,5 або 1 А.
3.3 Аналіз формулювання значущ ості двоетапної магнітної обробки води 
і водних систем сумішей композиційних матеріалів
Оцінка значущості двоетапної магнітної обробки води і водних систем
сумішей композиційних матеріалів проводилася на зразках, виготовлених з
цементно-водних сумішей, за межею їх міцності на стиск. Для випробувань
був прийнятий наступний склад зразків: Ц: В: наповнювач (конвертерний
шлак) = 1: 0,5: 0,1.
Вивчення щільності упаковки частинок проводилося для конвертерних
2 ,
шлаків з питомою поверхнею 300, 400, 500 м /кг (по ПСХ). Ці величини
дисперсності прийняті для дослідження в зв'язку з тим, що вони цілком
досяжні в процесі додаткового подрібнення і економічно обґрунтовані. Крім 
цього вказаний діапазон питомих площ поверхні задовольняє рекомендуємим 
дисперсностям частинок в'яжучого для одержання різних систем тверднення.
Розподіл обсягів частинок при оптимальній ступені дисперсності 
отримано в результаті застосування методу лазерної гранулометрії (мал.
73
3.10). Знання розподілу часток за розмірами важливо для розуміння фізичних 
і хімічних властивостей матеріалу. Розмір частинок впливає на реакційну 
здатність твердих тіл, що беруть участь в хімічних реакціях. В результаті 
гранулометричного аналізу в загальному випадку вимірюється не розмір 
часток, а розподіл за розмірами частинок в пробі. На практиці 
використовують диференціальну і інтегральну форму подання розподілів. У 
першому випадку розподіл представляється у вигляді гістограми, в якій 
висота стовпчика відповідає частці фракції з розміром частинок, що 
знаходиться в деякому інтервалі від сі до сІ+Д. У другому випадку розподіл 
описується графіком, в якому по осі X відкладається розмір часток б, а по осі 
У частка частинок з розміром менш б.
//
У.
М алюнок 3.8 - Гранулометричний склад конвертерних шлаків з питомою
поверхнею 300 м“/кг (по ПСХ)
М алюнок 3.9 - Гранулометричний склад конвертерних шлаків з питомою
2
поверхнею 400 м / кг (по ПСХ)
!Г \V/1 ’ . Л
і
М алюнок 3.10 - Гранулометричний склад конвертерних шлаків з питомою 
2
поверхнею 500 м /кг (по ПСХ)
Час магнітної обробки води, а потім водних систем сумішей, становив 
60с з силою струму в обмотці котушки електромагніту 1= 0,5 А (при 
розрахунковій величині індукції магнітного поля в порожнині котушки В= 
0,378 мТл) [26]. Дані результатів оцінки двоетапної магнітної обробки води і 
водних систем сумішей наведені на малюнку 3.11.
1 2 3  4  5  6  7 8
Номер складів сумішей
О композиційні ін'єкційні матеріали з активованою водою 
О композиційні ін'єкційні матеріали з активованою водою та сумішшю
М алюнок 3.11 - Результати двоетапної магнітної обробки водних систем іКМ  
Згідно з даними, наведеними на малюнку 3.11, приріст міцності для
ІКМ, які пройшли двоетапну магнітну обробку: спочатку води, а потім
сумішей склав 15-20%.
Твердофазна активація вивчена і розроблена досить широко, в той час
як рідкофазна активація є порівняно новим і маловивченим напрямком і має
ряд особливостей, пов'язаних з надмолекулярною структурою води. У той же
час активація води і водних систем вимагає менш их витрат енергії в
порівнянні з активацією твердої фази, що дозволяє застосовувати її у
виробництві будівельних матеріалів, зокрема, дрібнозернистих бетонів.
М ожливість активації води і водних систем (розчинів, суспензій,
дисперсій) заснована на особливій будові молекул води, на їх здатності
утворювати надмолекулярні структури.
75
РОЗДІЛ 4 ОЦІНКА БУДІВЕЛЬН О-ТЕХНІЧН ИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ  
КО М П О ЗИ Ц ІЙ НИ Х М АТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ НЕОРГАНІЧНИХ  
В ’ЯЖ УЧИ Х РЕЧОВИН
4Л Аналіз результатів планування експерименту з оптимізації складів  
цементно-піщ аних композиційних матеріалів для закладення широких 
тріщин
Для оптимізації складів композиційних матеріалів на основі цементу по 
міцності був проведений аналіз повного факторного експерименту типу N=2 
де N - кількість дослідів, 2 - число рівнів варіювання факторів і 3 - число 
незалежних змінних.
Пілотні експериментальні дослідження з оцінки властивостей 
цементних композицій (композиційних матеріалів) і аналіз їх результатів 
дозволив визначити нижні і верхні рівні зміни незалежних факторів 
планованого експерименту.
Планування експерименту ґрунтувалося на тому, що в межах зміни 
рівнів варіювання модель матиме вигляд однорідного лінійного рівняння:
У(Ю=Во+^В,Хг
І -~ }
де У (Я) - функція відклику (Яс - межа міцності матеріалу на стиск); В 0, В і - 
коефіцієнти рівняння регресії; Х і- фактори.
Оптимізація складів цементно-піщаних ін'єкційних композиційних 
матеріалів для закладення тріщин в залізобетонних конструкціях з шириною 
розкриття 1-10 мм здійснювалася планом експерименту типу 23 з 
додатковими точками по середньому рівню варіювання.
Як фактори змінних були прийняті: X) - співвідношення мас пластифікатору і 
цементу, ш с.з/шц; Х2 - імпульс струму в котушці електромагніту (Н ,А -с); Хз 
- співвідношення мас піску та цементу, ш п/ т ц 
Рівні варіювання прийнятих факторів приведені в таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 - Рівні і фактори, що впливають на властивості композиційних 
матеріалів
Рівні варіювання Змінні величини
факторів
Хі х 2 Хз
Нижній [-1] 0,0026 10 1,665
Середній [0] 0,0052 20 1,832
Верхній [+1] 0,0078 30 2
Інтервали 0,0026 10 0,167
варіювання
М атриця планування і результати експерименту наведені в таблиці 4.2.
76
Таблиця 4.2 - План і результати експериментальних досліджень
Фактори (кодовані) Параметри оптимізації У
Уц Уи (Міцність ЦТК на стиснення, (Кср)
йс„ МПа)
х , х 2 Хз X, X, х 2 У, Эу
У І2 У,з V,
х 2 X, X, (ЦІ) (К2) (КЗ) (ІІ4)
1 + 1 + 1 + 1 + 1 +1 +1 17,20 19,00 20,10 18,30 18,65 1,4833
2 -1 +1 + 1 -1 -1 +1 53.40 54,00 55,20 55,30 54,48 0,8625
3 + 1 -1 + 1 -1 +  1 -1 16,60 18,30 20,00 18,70 18,40 1,9667
4 -1 -1 + 1 +1 -1 -1 43.40 39,80 39.20 36,75 39,79 7,5406
5 + 1 +1 -1 + 1 -1 -1 26.50 28,20 26,98 26,00 26,92 0,2221
6 -1 +1 -1 -1 +1 -1 42,90 46,00 47,20 50,20 46,57 9,0427
7 + 1 -1 -1 -1 -1 + 1 20,24 18,40 19,00 20,80 19.61 1.2164
8 -1 -1 -1 +1 +1 +1 48,45 50,90 52,10 47,10 49,64 5,1690
9 0 0 0 0 0 0 41,32 41,34 41,36 41.40 41,36
£ 25,50
За відклик для оптимізації складів і параметрів магнітної обробки 
сумішей композиційних матеріалів була прийнята межа міцності матеріалів 
на стиск при максимальних напругах в процесі руйнування зразків.
Відповідно до отриманих даних, рівняння регресії зі значимими 
коефіцієнтами при змінних матиме вигляд:
У (Яс) = 34,26-13,36Х і+2,4X2-1,43Хз-0,5 ІХі Хг-0,94Хі Хз+1,34 Хг Хз.
Значення табличного критерію Кохрена при у=8-3=24 і ц= 0 ,10 для 
нашого випадку От= 0,5209 [13].
Розрахункове значення критерію Кохрена, з урахуванням даних, наведених у 
таблиці 2.5, дорівнюватиме:
9,0427
с : 0,355
25,50
Так як 0р=0,355<0т=0,5209, загальні дисперсії середнього 8~>- можна вважати 
однорідними.
Для оцінки адекватності прийнятої моделі досліджуваного об'єкта 
послідовно визначаємо загальну дисперсію середнього (б^Ч), залишкову 
дисперсію (52 о с т )  І дисперсію адекватності ( б ^ а д ) :
Відповідно до даних таблиці 2.5, З^Ч = 25,50.
Номе 
р серії 
Ідослі
д е / - число ступенів свободи; /  = И-г = 8-7=1; 7У=8 - кількість серій дослідів; 
ї  - число значущ их коефіцієнтів; г = 1.
Таблиця 4.4 - Розрахункові дані дисперсії адекватності
Точ Хо X, х 2 X, X) х 2 X, х в Х2 Х3 Ур Уз °  ОСТ
ки
34,26 - 13,36 +2,4 -1,43 - 0,51 -0,94 + 1,34 21,75 18,65 3,10^—9,6
1
+ 1 +1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1
2 34,26 + 13,36 +2,4 -1,43 +0,51 + 0,94 + 1,34 51,39 54,48 3,09"=9,5
+ 1 -1 + 1 +1 -1 -1 + 1
3 34,26 -13,36 Х 2 Г -1,43 0,51 -0,94 - 1.34 15,29 18,40 3,1 Р=9,7
+ 1 +1 -1 + 1 г  -1 +1 -1
4 34,26 + 13.36 -2.4 -1,43 - 0.51 _+~0Ї94^1 - 1,34 42,89 39.79 3.10=9.6
+ 1 -1 -1 + 1 + 1 -1 -1
5 ^ 3 4 0 6 " - 13,36 +2,4 -ДТДЗ4 - 0,51 +0,94 - 1,34 23.81 26,92 3,112=9,7
+ 1 +1 + 1 -1 + 1 -1 -1
6 34,26 + 13,36 +2,4 + 1,43 + 0,51 - 0,94 - 1.34 49,69 46.57 з л ¥ ^ 9 ї ї \
+ 1 -1 + 1 -1 -1 + 1 -1
7 34,26 - 13,36 -2,4 + 1,43 + 0,51 +0,94 + 1,34 22,71 19,61 Х їо 7̂ / “
+ ] +1 -1 -1 -1 -1 + 1
34,26 + 13,36 -2,4 + 1,43 -0,51 -0,94 + 1,34 46,55 49,64 3,09=9,5
+ 1 -1 -І -1 + 1 + 1 + 1
8
76.9
В такому випадку розрахункове значення критерію Ф ішера дорівнюватиме:
/г = / -  =/ І / =  з,02.
'' Л /. 25.5
Табличне значення критерію Ф ішера Тт = 7,82 при ї= И -г = 8-7 = 1; ІХ(к- і ) 
= 24 [13].
Так як Т Р = 3 ,02< ^= 7,82 , прийнята модель адекватна досліджуваного об'єкта.
78
Отримане в процесі реалізації математичного планування експерименту 
рівняння регресії і результати оптимізації дозволяю ть зробити наступні 
висновки. Збільш ення рівня варіювання першого фактора (X,), тобто 
збільшення в складах пластифікувальної добавки СП-3 знижує міцнісні 
Таблиця 4.3 - Розрахунок коефіцієнтів регресії і оцінка їх значимості за 
критерієм Стьюдента
У серни Хо
экспери 1. Определение численного значения 
ментов коэффициента Ь; и оценка его значимости
18.6?
54 43
І 5 40 г г ?  У Т
СО "о ^ =3476:  5 - = - ^ ------=274.06г 32
О.У. У § 3-' к
46 5” 23472 ТаккакЬе34.:<5 ЛЬ = z r ^ - ~1.П09- 
19,61
49.64 ™ц” Т
”4.06 ~ — — «1.7.Ш9 17Л 3=29.3 
8
коэффициент Ь; шачнмый ______
N серии
экспери 2. Определение численного значения 
ментов коэффициента Ь- н оценка его значимости______
1
‘Д.48 ч
X~   л...  -  . . .  V_   С• ■
= Т  = . 1;16ч°.р> 3 - =—— =106 9: 32 =
26.92 $  ' X  ■ к
4 6 7 '
19.61 Так как Ьг~ 13,76 • дь, *  =17109
49,6-е
83.58-190.48*-106.9 Тс—1 =1,?Ю$-6.68 *11.43.
$
коэффициент при Ь; значю ш й_______
N серий 
экспери 3. Определение численного значения 
ментов коэффициента Ь: и оценка его значимости
1 18 ™т . г  —г  V2- Лс -Ч  48 *
18 40 =Ц  .-1 7 1 1  = Э 4 5 -7 = ----- = 19 18~ ?2 = I ! 1
.V $  ' X  к
Так как
—  д _
4 6 7 =24 ^ * = / 4 — »27209 Л— *1.7109 1.2*2.05
19 61
Коэффициент Ь; экачимьш
46 62-127.44=19.18
79
Продолжение таблицы 4.3
N серий Хэ « -1.Определение численного значения 
экслери- коэффициент# О и ©мелка его значимости
ыектсв - *
1 15 6е *
1 Л
<4 45 - у . т д  ^  2^* *■
1 18.40 -
.V 8 X г
4 '** 1 39,39 -
5 •4 - 26.92 =4.0/. т а ь х  Ь|=1,4с дь.
б 4 - 46.5" =1.7109 0X1 =1,21,
4 1,9 61 то э ф фшшент Ъ» значимый
-
8 -1 - 49.64
0 1 .3 2*142 44= - П -*1♦ »14 
N серий х . V« 5. Определение численного значения 
экспери V, коэффициента о- и опенка его значимости
ментов - -
1 ■* 1 18.65
% -* 5-1.48
•V У х  Г .
■% 4 18.40 Ь « г  ~ ~4Д'6 ~ - 0.51. X - -  - 1 =5-4.061-, 3.2 
.V 8 27 к
4 39,79 1,$'- _ [п 'Ч** 
-■ *1 26 92 =0,515 Т». как 64*0.51 ДЬ. •  z r J — - = i .. 109 Л—- —
б -1 46 5“ *1X109 0,254 *0.43. коэффициент при Ы значимый
-• О  61
8 -Д 49,64
135ХС( -139.06* * 4 06
X серий X: 1 0 (».Определение коэффициента Ь; при X; 
экспери "У*
— н опенка его значимости
ментов -
1 О  о X
™ V  л 
4 54,48
ь • ~  ' = "?-54 * -0.94; 5 ;- « 2 ------- (-7,.54*): 32 -
3 -1 18.40 * — ** *ч.»V £ 1 X ■*'
1 ) > г \ак ш
4 4 39.79
ч •* 26,92 ь?“у.9ч дб тхг.1— 1 I м 1--------• ! .  1уЧ . „ - i .s u
V .V V о
б 46,51 коэффициент Ь< значимый
•1 19.61
8 *1 49.64
.V - - ч = * 1.54
80
О кончание таолиц ы  4.3
X серий X; ЇХ ■’.Определение коэффициента Ь: при X: 
жспери- Хз и оценка его значимости
меятог т -
1 1
А Г г г  І - .
щ  4$ І „ А  : = 4 °;./=  ! 14' Г » = -  * 1 0  7- ^  =
3 15 40 Е ' ’ V 
Та* * *
4 59 до
5 'і : б і : Ь<*1 л б . » г г ^ ї ї * 1.7109 ^ ~ ! * 1  "1% 0 67=1.11 
б 46. Г коэффициент Ы значимый
7 -і 19.61
8 —і 49.64
14158 -15168 = 10.7
властивості композиційних матеріалів, а другого (Х2) - імпульсна магнітна 
обробка води і водно-цементних систем, навпаки - збільшує їх.
Найбільш оптимальним складом цементно-піщ аних композиційних 
матеріалів можна вважати склад номер два (Яс= 54,48 МПа), у якого 
співвідношення мас цементу і піску дорівнює 1:2, масова частка 
пластифікувальної добавки СП-3 в водно-цементній системі становить 0,3% 
від маси цементу при постійному водоцементному відношенні (В/Ц), що 
дорівнює 0,48 [21]. Оптимальним параметром магнітної обробки води і 
цементно-водних систем композиційних матеріалів на першому і другому 
етапах, певним методом математичного планування експерименту, можна 
вважати індукцію магнітного поля В=0,378 мТл з імпульсом струму ї ї  = 30 А 
з при величині струму /=  0,5 А в обмотці котушки електромагніту.
4.2 Аналіз результатів планування експерименту з оптимізації складів 
цементно-водних композиційних матеріалів для закладення вузьких 
тріщин
Оптимізація складів цементно-водних композиційних ін'єкційних 
матеріалів для закладення вузьких тріщин в залізобетонних конструкціях з 
шириною розкриття 0,1 - 1,0 мм здійснювалася планом експерименту типу 23. 
Як фактори змінних були прийняті: Х| - цементно-водне відношення складів 
( Ц/В); Х 2 - відношення маси наповнювача до маси цементу, шн/шц; Х3 - 
імпульс струму в котушці електромагніту (ІД, А-с). Рівні варіювання 
прийнятих факторів приведені в таблиці 3.7. Вони були визначені пробними 
експериментами з умови забезпечення нагнітання ТКМ  в вузькі тріщини з 
шириною розкриття 0,1-0,5 при В/Ц = 0,75 і 0,5-1,0 при В/Ц = 0,5 з 
дотриманням необхідних міцності і технологічних властивостей [27].
81
Таблиця 4.5 - Ф актори і рівні їх варіювання ....3
Фактори Позначення факторів Рівні варіювання (закторів
в символах кодоване мінімальний (-1) максимальний
(+1)
Цементно- Ц/В (В/Ц) х, 1,33 (0,75) 2 (0,5)
водне (водо- 
цементне 
відношення)
Відношення ГПн/Ши х 2 0,1 0,2
маси
наповнювача 
до маси 
цементу
Імпульс Іч Хз 10 30
струму в 
котушці 
електромагніту 
, А-с
План і результати експерименту наведені в таблиці 4.6, розрахунок 
значущих коефіцієнтів регресії, перевірених за критерієм Стьюдента - в 
таблиці 4.7.
Таблиця 4.6 - План трьохфакторного експерименту і результати оптимізації 
складів цементно-водних ТКМ
Ном Фактори (кодовані) Параметри оптимізації Уі; Уи (Міцність 
ер ЦТК на стиск, Ш, МПа)
сері
ї х , х 2 Хз X, X, Хз V , У2 Уз у 4
дос Х2 Хз Хз (Я0 (К-2) (Яз) (ЇЦ) (Яср)
л і -
ДІВ
1 + 1 -1 -1 -1 -1 + 1 21,05 20,36 22,47 20,36 21,06
2 -1 ^-1 Ґ-1 +  1 '+1 + 1  ̂ 13,2 13,82 14,22 П4~28 ЧЗІ88
3 + 1 +1 -1 +1 -1 -1 14,47 14,48 14,94 14,53 14,6
4 ~ \ +1 -1 -1 + 1 -1 11,47 11.74 12,28 1 1,61 11.78
5 Т і .] + 1 -1 Т і -1 29,23 26,12 29,4 28,37 28,28
6 -і -1 + 1 +1 -і -1 9,98 10,02 9,79 9,95 9,94
7 + 1 +1 ^+1 +1 +і + 1 23,28 26,24 23,02 24,49 24,26
8 - і +1 + 1 -1 - і + 1 12,63 12,05 12,56 12,32 12,39
Перевірка значущості коефіцієнтів регресії проводилася шляхом 
порівняння їх розрахункових величин з табличними. При цьому величина 
табличного значення критерію Стьюдента (В) дорівнювала В= 1,7109 при V = 
8-3 = 24 і ц = 0,10 [13].
Відповідно до отриманих даних рівняння регресії зі значимими 
коефіцієнтами має вигляд:
7 ( Я с ) =  17.02+5,03 X1-1,27 Х2 + 1,69 Х з- 1.35 Х 1Х2 + 2,53 Хі Хз + 0.87 Х2 Х з.
82
При цьому розрахунковий параметр оптимізації Урі (Яс, М Па) для кожної 
серії дослідів матиме наступні чисельні значення:
уі= 17,02+5,03(1) -1,27(-1) +1,69(-1) -1,35(-1) +2,53(-1) =20,45+0,87=21,32 
у2= 17,02+5,03(-1) -1,27(-1) +1,69(-1) -1,35(1) +2,53(1) =12,75+0,87=13,62 
уз= 17,02+5,03(1) -1,27(1) +1,69(-1) -1,35(1) +2,53(-1) =15,21- 0,87=14,34 
у4= 17,02+5,03(-1) -1,27(1) +1,69(-1) -1,35(-1) +2,53(1) =12,91- 0,87=12,04 
у5= 17,02+5,03(1) -1,27(-1) +1,69(1) -1,35(-1) +2,53(1) =28,89- 0,87=28,02 
у6= 17,02+5,03(-1) -1,27(-1) +1,69(1) -1,35(1) +2,53(-1) =11,07- 0,87=10,20 
у7= 17,02+5,03(1) -1,27(1) +1,69(1) -1,35(1) +2,53(1) =23,65 +0,87 =24,52 
у8= 17,02+5,03(-1) -1,27(1) +1,69(1) -1,35(-1) +2,53(-1) =11,23+0,87=12,10
Результати обробки даних експерименту, необхідні для перевірки за 
критеріями Кохрена і Фішера, наведені в таблиці 4.8.
Таблиця 4.7 - Розрахунок коефіцієнтів регресії і оцінка їх значимості за 
критерієм Стьюдента.
N серий Xs 1 Определение коэффициента Ь5 при Xi и 
экспери оценка его значимости
ментов -
і -1 2 І „Об -
-1 - 13.88 v  д* у 2 . 5
з -1 14.6 - , Ж 111,-  77 -21  =5 03: 5 :- = =40.23.-: 32 -  
4 -1 11.78 .V S 27 к
-
5 - t 28.28 - 50.526:
б -1 - 9.94 Так как +=5,03 дб( =+7109
7 -1 24,26 -
8 -1 - 12.39 150.526
п ш т * 47.99 =17109 2+13 =4.3
88.2-47+0 = 40.21 Ц s
коэффициент при X; - значимый
N серий X: YU1
экспери 2, Определение коэффициента +  нри Хз 
менте® * и оценка его значимости
1 -1 - 21.06
-1 - 13.8S ТА'. F  , Z / У
з 146 -
4 11.78 .  'э о »v А
-
э 3.207;
-1 - 28.28
б -1 - 9.94 1S- 13.207
7 -1 24.26 - - -  -  — у  „ у  Ц 8
8 -1 12,39 - =1.7109-0.632=1 JS
63,03 73.16 коэффициент при X :-  значимый
73.16-63,03= - 10. 13
N серий X} \ с 3. Оиредеэенне коэффициента Ъз при X« я 
Экспери оценка его значимости
ментов - -
•> -1 - 13.88 т а м ; Ш
3 -1 - ....14,6.... h _ 7 Г  = ......: - 1 6 +  5 - - = ^ --------=13 55- 32 =  5 738-
4 -1 11 7$ Л  £ .V К
-
N -1 2S.2S - i s -  ь . т  
Так как Ьз-1,69 Л б .  = x r j - —  * 1 .7109 J —
6 -1 9.94
7 -1 З о И =  1.7109 0.847=1.449
S -1 12.39 - коэффициент при Х з-зн ачи м ы й
_ _ _ _ _ T T f f 1 61.32
- 61 32= 13. \  4
83
Окончание п о -и щ а  4.
X серий XI 4. Определение коэффициента Ы при Х А  
жсперн- X.: и оценка его значимости
ментоз
: 1.06
13,58 Х.г г
-10.83   -• < Л Л ч» •- .
14.6 •»1-10.ОА
.V 8 К  ■ к
4 11X8
:8.2$ 3.665, Так км. Ь.=Т,3 5 ЛЬ
9,94 =1.":0С О.б"”-!Л 58
24,26
12,29 ксэ^фшгаеят при X: X; -  значимый
62 68 “8 " I
- 'З р  1-62.68= ■ * о.52
X’ серия 5 . Определение коэффициента Ь? при Х А  
экспери и оценка его значимости
менте»
1 4.06
Г’ л V  г
14.6
113$
л  28 *
24.2-6 /12. “64
2.16
8
коэффициент при X -  значимый
X’ серий б . Определение коэффициента о« при Х А  
экспери и оценка его значимости
мент©.»
об н
2 85 Х.г у
4 . - - 6 .9 9 .
14.6 0.8?: 5' *б.99: 32 * 1.
Так как Ъ*—Х*.$” XX, 1,7109
V " ' 3/ / 8Т
24 26 ~ 4, • 109 0.4э ~и. "*$ 
коэффициент при X: -  значимый
64,*
84
Таблиця 4.8 - Результати обробки даних математичного планування
експерименту
Параметры оптимизации У; : Уи 
(Прочность на сжатие. 1У. МПа> 8 8г-
V ■ і _ V • ' Урі
У і У; У іГ-Г г
Уз \0 т
(Кі) іК л (Кз! (Ю) (к = 4). М-число серий опытов: 
(Юр) г-число значимых 
коэффициентов
1 21.05 20.86 22.4" 20.36 21,06 2.1682 0."23 21,32 (21.32 -2 1 .Об)2 : (8-6) = 
0.06-6: 2 = 0.0338
> 13.2 13.82 14.22 14.28 13,88 0.-416 0.24" 13,62 113.88 - 13.62)- : (8-6) = 
0.06-6: 2 = 0.0358
14.4-' 14.48 14.94 14.53 14.6 0.1518 0.051 14,34 (14.6 - 14.54 6 : (8-6) =
0.06”6 : 2 о п м 8
4 11.4’ .І Ї ' 4 .. 12.28 11.61 11.78 0.3-66 0.126 12.04 (12.04 - 11 Г , г>-6) = 
0.06”6 : 2 = о <»> '8
5 29.23 26.12 29.4 28.3" І Т ї їР 6,8506 2.277 28,02 (28.28 - 28 .02)': (8-6.1 = 
0.06-6 : 2 = 0.0358
б 9.98 10.02 929 9.95 9.94 0.0506 0.010 10.20 (10.20 -  9 .94) -  : (8-63) =
0.06 "6 2= 0.0558
23.28 26.24 23.02 24.49 24,26 6.4" 13 24,52 ( 24 .52- 24 .26 )- : (8-6.)= 
О.Об'б: 2 = 0.0338
8 12.63 12.05 12.56 12.32 12,39 0 .20" (1.069 12.10 ( 12.39- 12. 10) ’ : (8-6)= 
0.0841 : 2=0.0420
16,98 Т І66 0,2786
Значення табличного критерію Кохрена при VI = к-1 = 3 ; Уг =:К = 8 і ц  = 
0,01для нашого випадку вт  = 0,5209 [23]. Розрахункове значення критерію 
Кохрена, з урахуванням даних, наведених у таблиці 3.10, дорівнюватиме:
2
Так як О Р=0,402<С т=0,5209, загальні дисперсії середнього 8 у можна вважати 
однорідними.
Для оцінки адекватності прийнятої моделі досліджуваного об'єкта
послі. довно визначаємо дисперсі• ю адекватності•  (Б 2дД загальну дисперсію
2
середнього (Б у) і розрахунковий критерій Фішера:
.V ■-: 8  — 7
У.С:
,8’ =-їі—~=2П=<и~"
Д'-А- 87
де і- число ступенів свободи; ґ = N-2= 8-7=1; N =8 - кількість серій дослідів; 
ъ - число значущ их коефіцієнтів; 2 = 7 .
Так як ТР=1,574 <Тт=5,61 [23], прийняту модель можна вважати адекватною 
об'єкту дослідження, прийнятому за робочою гіпотезою.
Номер серни 
опытов
85
Результати оптимізації складів композиційних матеріалів для закладення 
вузьких тріщин в залізобетонних конструкціях дозволили зробити наступні 
висновки:
- найбільш значимими факторами, що впливають на міцність композиційних 
матеріалів, є - перший (Ц/В), що визначає масове співвідношення води і 
цементу в складах композиційних матеріалів і другий - параметри магнітної 
обробки води;
- оптимальним складом для закладення вузьких тріщин слід вважати склад 
номер 5, так як за прийнятим відкликом він мав найбільшу міцність на стиск 
(Яс = 28,28 МПа);
- прийняті рівні варіювання факторів відповідають вимогам технології по 
ін'єкційному закладенню тріщин і характеристикам обладнання, що 
забезпечує необхідні параметри локального магнітного поля для здійснення 
оптимальної активації води і водних систем композиційних матеріалів.
Як відомо, межа міцності цементного каменю визначається залежністю
Д=йо ехр (кР), (4.1)
де Р - пористість, Яо - межа міцності при «нульовій» пористості (міцність 
«скелета»).
Пористість цементного каменю визначається залежністю [1]
(4.2)
де Ц - витрата цементу, В - витрата води, п - кількість води, хімічно 
пов'язують цементом при повній гідратації, а - ступінь гідратації, рц, р™ - 
дійсна густина портландцементу і цементного каменю, к - коефіцієнт, що 
враховує зміну обсягу цементного тіста (каменю) в процесі гідратації.
З (4.2) випливає, що пористість цементного каменю, і, отже, його 
міцність, визначається величиною ступеня гідратації. Фактично, за 
величиною тепловиділення можна судити про ступінь гідратації цементу 
а=(2_т/([(£]), і, отже, про зміну пористості. Таким чином, оцінка ступеня 
гідратації цементу за величиною тепловиділення дозволяє прогнозувати 
межу міцності цементного каменю в будь-якому віці в процесі гідратації.
За допомогою цього методу можна оцінити вплив на процес гідратації 
і, отже, кінетику міцності, такого фізичного параметра, як пористість. Таким 
чином, зниження пористості на 20% в оптимальних складах є непрямим 
доказом висунутої наукової гіпотези (мал. 4.1, 4.2).
86
В Г
М алюнок 4.2 - М ікроструктура зразків Ж М  для заповнення ш ироких тріщин
87
4.3 Дослідження деформативних властивостей оптимальних складів
Деформативні властивості сумішей композиційних матеріалів 
оцінювалися по діаметру їх розпливання на струшувальному столику і 
напрузі зсуву. М етодики випробування та характеристики випробувального 
обладнання викладені в розділі 2.
Результати оцінки реологічних властивостей сумішей композиційних 
матеріалів по діаметру розпливу конуса наведені на малюнку 4.3 і в таблиці 
4.9.
Склади сумішей з К М
М алюнок 4.3 - Результати оцінки реологічних сумішей композиційних 
матеріалів по діаметру розпливу конуса на струш увальному столику (склади 
сумішей див. Таблицю 4.9)
Оцінка реологічних властивостей сумішей композиційних матеріалів по 
напрузі зсуву проводилася за допомогою пристрою у вигляді градуйованого 
скляного циліндра з поршнем. Тиск в циліндрі створювався грушею від 
медичного тонометра. З урахуванням попередньо отриманих тарувальних 
даних (див. розділ 2) були отримані експериментальні величини напруг зсуву 
сумішей різних складів композиційних матеріалів (мал. 4.4).
88
□ 190-210 
В 170-190
Напруження 
зсуву суміші. Па □ 150-170
□ 130-150 
О 110-130
□ 90-110
Відношення: тн/тц=0,2 
т н  /тц=0,1 
Імпульс струму В обмотці ^0 т н / т и  =0,05
котуш ки, И,А с
М алюнок 4.4 - Залежності напруги зсуву сумішей ЛСМ з різним насиченням 
матриці наповнювачем з конвертерного ш лаку (з відношенням мас 
наповнювача і цементу тн /п іц =  0,05; 0,1 і 0,2)
За результатами експериментальних досліджень реологічних 
властивостей сумішей ЛСМ можна зробити наступний висновок. Найбільший 
діаметр розпливу конуса для сумішей з обома видами наповнювача був у 
складу 6 (Б  = 41 см). М інімальна напруга зсуву (т = 100 Па) була відзначена у 
складу ІКМ з співвідношенням мас наповнювача (з конвертерного шлаку) і 
цементу 0,05 [15]. Дані численних досліджень показують, що реологічні 
характеристики розчинних сумішей, для яких величина діаметра розпливання 
конуса становить 29 - 39 см, а напруга зсуву знаходиться в межах 100-125 Па, 
зазвичай бувають лише в тому випадку, коли в них вводяться спеціальні 
пластифікуючі добавки типу суперпластифікаторів: С-3, М ФАР і інші [7]. 
Тобто, в даному випадку, пластифікацію сумішей вдалося виконати за 
рахунок відповідних величин параметрів локального магнітного поля, а крім 
збільшення міцності, це вже інший істотний техніко-економічний ефект 
двоетапної обробки цементно-водних тампонажних сумішей магнітним 
локальним полем.
4.4 Оцінка об'ємних деформацій усадки „КМ в процесі їх  твердіння
Усадкові деформації ІКМ  визначалися на зразках 100x100x400 мм в 
процесі їх твердіння через 30, 60, 90 і 120 діб. Умови їх  зберігання, кошти і 
методики вимірювання параметрів наведені в розділі 2.
Чисельні значення усадочних деформацій в різні періоди твердіння зразків 
ІКМ відображені на мал. 4.5 і 4.6.
89
ипасое
>» о  
о  
я2  ,о"н 
Оо .’Щ!  
я  юо 
35 60 90 120
Час твердіння зразків, діб
Склад 1 ІИ й Склад 2
СИЗ Склад З СИЗ Склад 4
 Логарифмічний (склад 1) _ _  Логарифмічний (склад 2)
 Логарифмічний (склад 3) ------  Логарифмічний (склад 4)
М алюнок 4.5 - Діаграма, що відображає залежність об'ємних усадочних 
деформацій зразків ПСМ від часу їх твердіння.
Ряди 1 і 2 на мал. 4.5 і 4.6 характеризують параметри усадочних деформацій 
зразків ПСМ з В/Ц відповідно рівним 0,50 і 0,75, в сумішах яких вода 
активувалася локальним магнітним полем з впливом на неї індукції В = 0,378 
мТл протягом часу 1?= 60 с. Ряди 3 і 4 являють собою значення усадочних 
деформацій зразків ІКМ з тими ж значеннями В/Ц, в сумішах яких вода не 
активувалася магнітним полем [28].
90
■ 4-5
деформації □ 4-4
усадки, мм/м х 10 □ 3-4
усадки, мм/м
□ 3-3 
В 2-3
В/Ц=0,75, неактивовані 
В Ц=0,5. неактивовані □ 2-2 
В Ц=0.75°о. активовані □ 1-2 
В/Ц=0,5. активовані
120 □ 1-1
Час твердіння зразків, у діб
М алюнок 4.6 - Об'ємне зображення процесу об'ємних усадочних деформацій 
зразків КМ  з їх фіксацією за часом затвердіння.
Результати експериментальних досліджень процесу усадочних деформацій 
зразків КМ дозволили зробити наступні твердження:
- процес усадки зразків ,КМ в часі носить логарифмічний характер і може 
бути описаний відповідними математичними залежностями;
- усадочні деформації мають менші чисельні значення у складів з 
активованою водою з меншими значеннями водоцементного відношення 
сумішей
У таблиці 4.10 наведені математичні залежності, які дозволяють визначати 
усадочні деформації КМ  в фіксовані моменти їх твердіння (35, 60, 90 і 120 
діб).
Таблиця 4.10 - Формули для визначення усадочних деформацій КМ
Водоцементне відношення Коефіцієнт Період 
к, х 10-'
сумішей 5 ЦК1М тверднення 
зразків Формули
в/ц т. діб
0.5 1.40 35 в  
0.75 2.20 і:>  = к —ц   + / -е г = к' —
в
ц  + 0.74
0.5 2.45 60
0.75 3.20 є = к — + (от = к — + 1.51
> ' ц  5 'Ц
0.5 3.10 90
0,75 3.90 £ = k — + (gт = k —  + 1.817 
> ' Ц  Ц
0.5 3.421 120
0,75 4.121 є.. = к, —  + = к. —  +1,817 
Ц  Ц
91
4.5 Аналіз результатів експериментальних досліджень параметрів  
локального магнітного поля в контактній зоні метал-бетон
Для того, щоб правильно проаналізувати експериментальні дані про 
доцільних оптимальних параметрах локального магнітного поля в дефектних 
місцях кордонів метал-бетон, необхідно вивчити фізичні механізми 
магнітного насичення металевих закладних деталей під впливом зовнішнього 
джерела. М атеріалом для виготовлення закладних деталей захисних споруд 
служить сталь Ст-3, яка в свою чергу є феромагнетиком. Відомо, що в будь- 
якому феромагнетику можуть утворюватися області мимовільної 
намагніченості. Іноді називають ці області доменами. Домени розділені між 
собою шарами, так званими блохівськими стінками або межами доменів. На 
кордонах видно поступовий перехід від одного напрямку намагніченості до 
іншого (малюнок 4.7).
Якщо відсутнє зовнішнє магнітне поле, то в закладній деталі 
результуюче магнітне поле дорівнює нулю через різноспрямованих 
магнітних моментів, які один одного компенсують (див. мал. 4.7 а).
При появі зовнішнього магнітного поля (Н>0) відбувається 
намагнічування феромагнетика. Процес характеризується зміщенням меж і 
зростанням одних доменів за рахунок інших (див. мал. 4.7 б).
При досягненні намагніченості насичення доменна структура зникає, і, 
можна вважати, що весь метал закладної деталі являє собою один домен (див. 
мал. 4.7 в).
/ \ /
\
/
Я
7
/
І /
М алюнок 4.7 - М еханізм магнітного насичення закладної деталі під впливом 
зовнішнього локального магнітного поля: а - в разі, коли зовнішнього 
магнітного поля немає ( Н  = 0 );  б - в разі, коли магнітне поле слабке 
(0 < Н < Н т а х ) ;  в - в разі, коли метал має магнітне насичення (Н = Н т а х ) .
Проаналізуємо залежність індукції магнітного поля від напруженості 
для сталі Ст-3 (мал. 4.8).
92
II 2000 4000 1(1000 20000 30000 40000 50000 60000 
Напруженість маг пітною  поля, Н, А/м
М алюнок 4.8 - Крива намагнічування сталі Ст-3.
На малюнку зображена залежність В=ДН), що має характерну 
нелінійну форму з ділянкою насичення. При зростанні напруженості 
магнітного поля від 0 до 2000 А/м відбувається поступове зміщення 
доменних стінок (ділянка ОА).
У разі збільш ення напруженості магнітного поля від 2000 до 30000 А/м 
спостерігається ступеневе переміщення стінок доменів, а також векторна 
переорієнтація магнітних моментів доменів у напрямку зовнішнього поля [7]. 
Описаний механізм характерний на ділянці АС. Відрізок СД відповідає 
повному насиченню металу. Так як спінові моменти електронів кристалічної 
решітки переорієнтуються, то запускається механізм насичення.
У матеріалі закладної деталі з Ст-3 при індукції магнітного поля, що 
дорівнює 2,25 Тл, настає повне насичення.
В умовах промислового і спеціального будівництва з використанням 
навіть сучасних магнітних пристроїв практично неможливо створити в 
захисній конструкції із заставними деталями з Ст-3 таке насичене локальне 
магнітне поле з індукцією 2,25 Тл.
Основним параметром зовнішнього локального магнітного поля, як 
додаткового джерела переміщення і утримування в нещільності магнітних 
тампонажних сумішей композиційних матеріалів, вважають магнітну 
індукцію. Вона є функцією напруженості магнітного поля (В=Т(Н)). 
Результати досліджень технологічних і міцністних властивостей 
тампонажних сумішей з феромагнітними наповнювачами дозволили зробити 
висновок про те, що зміною індукції в незначних межах можна регулювати 
структурну в'язкість транспортуємих композицій, зменшуючи її при русі в 
вузьких тріщ инах і збільш уючи в широких, знижувати час затвердіння
93
герметиків, коли суміш знаходиться в вертикальних нещільностях, 
підвищувати міцність і адгезію. На думку В.А. Заварова, М.Д. Бойко, A.C. 
Бочарнікова, для технології герметизації нещільності на поверхні розділу 
метал-бетон мінімальне значення магнітної індукції зовнішнього локального 
поля має бути не менше 0,001 Тл (1 мТл) [7].
Тому одним з основних завдань цієї роботи був вибір з усіх відомих 
магнітних пристроїв такого пристрою, яке могло б створювати в дефектній 
зоні бетону на контакті з металом мінімально граничні значення індукції 
магнітного поля від зовнішнього джерела, що забезпечують такі умови 
процесу тампонажних робіт:
- створення можливості активації водних систем сумішей композиційних 
матеріалів на другому етапі (у процесі їх нагнітання в тріщини);
- забезпечення умов для поліпшення міцності та інших властивостей 
композиційних матеріалів, а також регулювання в'язкості їх сумішей в 
процесі проведення різних етапів тампонажних робіт (зменшення її при 
закладенні вузьких тріщин і збільшення при затвердінні сумішей у 
вертикальних і похилих тріщинах, з яких вони, при відсутності впливу 
магнітного поля, випливають під дією власної ваги);
- зменшення енерговитрат за рахунок зниження тиску і сили нагнітання при 
включенні в процес додаткової магніторуш ійної сили локального магнітного 
поля.
Для уточнення граничних значень мінімальних величин індукції 
магнітного поля на поверхні розділу метал-бетон були проведені 
експериментальні дослідження, які ґрунтувалися на наступних твердженнях.
Відомо, що заставні деталі огороджувальних конструкцій захисних 
споруд виготовляють зі сталі Ст-3. При цьому в практиці будівництва 
захисних споруд в основному зустрічаються товщини 3, 5, 9 мм. У зв'язку з 
цим, як об'єкти досліджень були прийняті моделі-зразки металевих пластин з 
зазначеними товщинами.
Основним завданням, поставленим в експериментальних дослідженнях, 
було визначення граничних мінімальних величин магнітної індукції на 
моделях-зразках по центру металевих пластин і встановлення характеру її 
розподілу на поверхні контакту метал-бетон в напрямку від центру пластини 
до її країв, на яких зі зворотного боку пластини розташовувалися полюсні 
стійки електромагніту.
Для створення на поверхні розділу метал-бетон магнітного поля 
необхідної потужності використовувався спеціальний магнітний пристрій. 
Характерною особливістю цього пристрою є те, що він дозволяє створювати
в сумішах КМ  в дефектних місцях бетону на контакті з металом магнітне 
поле з необхідними оптимальними параметрами індукцій і напруженості, без 
необхідності повного магнітного насичення металу потужними магнітними 
пристроями, яких в даний час не існує.
М етодика, за допомогою якої досліджувалася індукція магнітного поля на 
поверхні пластин по їх центру, наведена в розділі 2. Результати відображені 
на малюнку 4.9.
а
Магнітна індукція .В .м Т л
20 
18 
16 
14
12 
10 
8 
6 
4
0
0 ,5  1 1.5 2 2 .5  З
Сила струм у в обм отці еяектромагниту, 1. А
О шо 
а
П  14-16
а іМ4 
а »и 
щ *-» 
□ 6-8 
О  4-6 
Індукція
пмйаЛгнвіДтнмою Ш 2-4 
Гл □ 0-2
Т о в щ и н а  м еталу  3 м м  
Т о в щ и н а  м еталу  5 мм 
Т о в и ш и а  м е та л у  9  мм
Сила струму, І, А
М алюнок 4.9 - Чисельні значення магнітної індукції на поверхнях металевих 
пластин, зворотних установки центру полюсних стійок електромагніту 
магнітного пристрою у вигляді обробки даних за програмою «майстер 
діаграм»: а - графік; б -  поверхня.
Результати експериментальних досліджень, наведені на малюнку 4.9, 
дозволили зробити наступний основний висновок: створення граничного 
мінімального значення індукції локального магнітного поля на поверхні 
металу (не менше 0,378 мТл) по центру встановлених на зворотному боці 
полюсних стійок електромагніту, можливо для магнітного пристрою, у якого
95
в обмотці електромагніту з дроту ПЕВ діаметром 1,2 мм з числом витків 1200 
струм буде не менше 0,5 А. Однак, при видаленні від зазначених точок до 
центру пластин індукція магнітного поля буде слабшати. У зв'язку з цим 
потрібні були додаткові дослідження характеру зміни індукції локального 
магнітного поля в точках, віддалених від полюсів. Результати таких 
досліджень наведені на мал. 4.10-4.12.
Результати аналізу експериментальних даних, наведених на мал. 4.10-4.12, 
дозволяють зробити наступні висновки:
1. Граничні допустимі параметри індукції зовніш нього локального поля 
забезпечуються магнітними пристроями, у яких обмотка електромагніту 
виконана з дроту ПЕВ діаметром 1,2 мм з числом витків щонайменше 1200.
2. Навіть за умови створення струму в обмотці електромагніту 0,5 А, а це 
найбільш оптимальний параметр для активації води і водних систем 
композиційних матеріалів (див. попередні підрозділи розділу 4), магнітний 
пристрій з вказаною величиною сили струму здатний створювати необхідне 
значення індукції магнітного поля для всіх досліджених товщин металу, за 
винятком однієї точки у металу товщиною 9 мм (див. мал. 4.10).
3. Однак, з огляду на те, що в найбільш віддаленій від полюсних стійок 
електромагніту точці по центру металу (в середині між ними) знаходиться 
штуцер для нагнітання сумішей композиційних матеріалів і те, що чисельне 
значення індукції 0,94 і 1,0 мТл величини приблизно рівнозначні, можна 
вважати значення сили струму, рівне 0,5 А, достатнім для створення 
зовнішнього локального магнітного поля і для металу товщ иною 9 мм.
96
І І індукція ,В. мТл при силі струму 
в обмотці електромагніту 0,5 А
І І Індукція ,В,мТл при силі струму 
в обмотці електромагніт}' 1 А
  . ІІІІІЙІІІІН ( Індукція ,В, мТл
в обмотці електромагніту 0,5 А
1 0.5 0
Відносна відстань між центром пластини 
і полюсом електромагніту   Лінійний (Індукція, В, мТл
в обмотці електромагніту І А)
М алюнок 4.10 - Чисельні значення магнітної індукції на поверхнях металевих 
пластин, зворотних установки магнітного пристрою в напрямку центр 
полюсної стійки електромагніту - центр пластини (товщиною 3 мм).
І Індукція, В, мТл при 
силі струму в  (НІМОТНІ 
електромагніту 0,5А 
Е-ИЗ Індукція, В* мТл при 
силі струму в обмотці 
електромагніту 1А
• Л інійний, Індукція,
В, «Ті нря силі 
струму в обмотці 
електромагніту 0.5А
* Лінійний, Індукція, В, 
М І Л  при силі струму 8 
Відносна відстань між центром пластин і полюсом електромагніту обмотці електромаг- 
віту 1А
М алюнок 4 .1 1 -  Чисельні значення магнітної індукції на поверхнях металевих 
пластин, зворотних установки магнітного пристрою в напрямку центр 
полюсної стійки електромагніту - центр пластини (товщиною 6 мм).
І— І Індукція. В, мТл при 
силі струму в обмотці 
електромагніту 0.5 А)
1—3  (Індукція, В, мТл при 
силі струму в обмотці 
електромагніту 1 А)
  Лінійний (Індукція, В, мТл
при силі струму в обмоші 
електромагніту 1 А)
Лінійний (Іпдукпія, В, мТл 
нрн силі струму в обмотці 
Відносна відстань між центром електромагніту 1 А)
пластини і полюсом електромагніту
М алюнок 4.12 - Чисельні значення магнітної індукції на поверхнях металевих 
пластин, зворотних установки магнітного пристрою в напрямку центр 
полюсної стійки електромагніту - центр пластини (товщиною 9 мм).
Таблиця 4.9 - Результати оцінки реологічних властивостей сумішей ІКМ по ро: гппв інню конуса на струшувальному 
столику
Н ом ер П арам етри  акти вац ії води локальн и м  
С клад  сум іш ей  Ц К ІМ  (маса, г) Р о зп ли в  конусу сум іш ей О. ем 
складу м агн ітним  полем з нап овню вачем  з:
вода цем ент нап овн ю  В Ц Пін Юа ІНДУКЦІЯ. сила Імпульс кон вертер  ВІДХОДІВ ВІД
вач В. м і г струму. І час стру ного ш лака оороокн  м еталів
А ' ВПЛИВУ І.с м у . І!. абрази вним
А  ■ с інструм ентом
і 320 •> * 0.5 0.1 25.5 26
- 213.3 21.3 0.~5 20 10 39 >
і 60 0.3 ” 8 0.5
5 320 04 у. 5 0.2 26.5 28.2
4 213.3 4 2 ." 0. ? 5 36 39
5 320 32 0.5 0.1 29 2".5
60 30
б 213.3 21.3 0 ."5 41 41
320 (34 0.5 0.2 23.5 26.5
8 213,3 42 ." 0,3 5 3 л 56
-ЗЛО
98
РОЗДІЛ 5. ТЕХН О ЛОГІЯ ІН'ЄКЦІЙН О ГО  УЩ ІЛЬНЕННЯ  
ЗАЛІЗО БЕТО Н Н И Х ПОВЕРХОНЬ КОМ ПОЗИЦІЙНИМ И
М АТЕРІАЛАМ И ТА АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТІ 
5Л Причини та теорія утворення тріщин в бетонних конструкціях на 
контактних поверхнях бетон-бетон
Основними місцями затікання зовнішнього повітря з шкідливими 
забруднювачами (радіоактивними, хімічними і біологічними речовинами) в 
збірні і збірно-монолітні захисні споруди є тріщини в стиках між 
залізобетонними конструкціями і в зоні контакту бетону з металевими 
виробами захисно-герметичних входів і вводів інженерних.
Відомо, що при твердінні на повітрі бетон зменшує свій обсяг, в 
результаті чого в ньому виникає усадка. Для пояснення цього явища 
використовують в основному дві теорії: М іхаеліса і Фрейсіне) [7].
Перша теорія явище усадки пояснюється фізико-хімічними процесами, 
які супроводжують схоплювання і твердіння в бетоні цементної матриці. 
Відповідно до цієї теорії спочатку цементна суміш являє собою 
студнеобразну масу (гель), насичену водою з зваженими в ній частками 
негідратизованого цементу при початковому етапі кристалоутворення.
Потім починається поступовий процес твердіння цієї маси і 
перетворення її в цементний камінь. Завдяки випаровуванню частини 
надлишкової води і поглинання іншої її частини зернами цементу, який 
набирає реакцію гідратації, гель поступово зневоднюється і ущільнюється. 
Вода в порах гелю утримується абсорбційними силами. Але, коли вона 
випаровується і поглинається зернами цементу, ці сили звільняються і 
стягують твердну масу гелю. В цей же період продукти гідратації цементу 
утворюють кристали, які, пронизуючи масу гелю, утворюють твердий скелет 
цементного тіста. Сукупний вплив цих двох процесів викликають в 
цементному камені, так звані, об'ємні деформації усадки.
Друга теорія процес усадки бетону пояснює тільки капілярними 
явищами, що відбуваються в найтонших мікропорах цементного тіста 
внаслідок зміни вологості, як всередині пір тіста, так і в навколишньому 
середовищі. Поверхневий натяг менісків в порах з водоповітряним 
середовищем викликає нормальні тиски на стінки пор, які і виробляють 
обтиснення цементного каменю в процесі його твердіння.
На сучасному етапі пояснення усадки багато дослідників виконують на 
основі обох наведених теорій, які, в принципі, не виключають, а доповнюють 
один одного.
99
Розглянемо реологічні процеси, що відбуваються в бетонній масі 
порожнини стику між двома суміжними збірними конструкціями із 
залізобетону. Уже з перших годин твердіння в бетоні виникають об'ємні 
деформації усадки, що є причинами появи в ньому напружень розтягу. 
Безперервний і тривалий вплив цих напруг призводить до накопичення в 
бетоні зворотних деформацій повзучості, які в незначній мірі знижують 
деформації усадки. Таким чином, підсумкові напруги розтягнення в бетоні є 
функцією різниці деформацій усадки і повзучості.
На пружній стадії роботи матеріал, як відомо, підпорядковується 
закону Гука, який визначає деяку залежність напруг, що розтягують в бетоні 
від його модуля пружності, а також об'ємних деформацій усадки та 
повзучості:
(5.1)
де оы- розтягувальні напруги в бетоні; (є ьтах- є Ьтах) - різниця максимальних 
об'ємних деформацій усадки і повзучості бетону; Еы - модуль пружності 
бетону.
У зв'язку з тим, що деформації повзучості виникають від постійно 
діючого навантаження, якого в бетонному заповненні порожнини 
вертикального стику практично немає, величиною єьтах можна знехтувати. У 
такому випадку вираз (1.1) буде мати вигляд:
(5.2)
Зростаючі результуючі напруження розтягу можуть стати причиною 
виникнення тріщин в бетонному заповненні порожнин стиків між суміжними 
залізобетонними конструкціями при двох умовах, які можна виразити 
наступними залежностями:
стЬіЖ , (5.3)
(5.4)
де - межа міцності бетону при розтягуванні, МПа; - міцність бетону на 
зчеплення з гранями збірної залізобетонної конструкції, МПа.
Ситуації тріщиноутворення в бетонному заповненні порожнини 
вертикального стику між збірними залізобетонними панелями зовнішніх стін 
споруди відображена на малюнку 5.1.
100
р
^  4
г ..
Е г >
)
М алюнок 5.1 - Тріщини від деформацій усадки бетону в порожнині 
вертикального стику між стіновими панелями: 1 - залізобетонна панель; 2 - 
порожнина стику між панелями, заповнена бетоном; 3 - тріщина на контакті 
«бетон-бетон»; 4 - тріщ ина в масиві бетонної шпонки стику.
Тріщина 3 (рис. 5.1) може виникнути в бетоні заповнення стику в результаті 
того, що розтягувальні напруги в бетоні перевищать його міцність на 
зчеплення з межею збірної конструкції, тріщина 4 - в результаті того, що 
розтягувальні напруги перевищать міцність бетону на розтяг в бетонному 
масиві порожнини стику.
Проаналізуємо ймовірність виникнення зазначених ситуацій, наведених 
на малюнку 5.1.
З огляду на те, що графічні залежності деформації усадки за 
твердженням Діш енгера є показовими функціями затухаючого типу і, 
приймаючи максимальну величину усадки бетону за певний період 
(наприклад, за рік) за граничне значення, вираз (1.2) можна записати в 
наступному вигляді:
ст,. Діт ЕЫ * (5.5)
Для обчислення модуля деформації бетону на розтяг скористаємося 
формулою Графа, взятої з класичних уявлень про механічні властивості 
бетону та залізобетону, перераховану для системи СІ [4]:
І00000
Е, 36
К (5.6)
де II- міцність бетону на стиск, МПа.
М ежа міцності бетону при стисканні для будь-якого віку більшого доби, в 
свою чергу, можна визначити за формулою Б.Г. Скрамтаєва:
к к 1а г 
1а 2 8 ' (5.7)
де ІС8 - міцність бетону на стиск у віці 28 діб, МПа.
Для визначення межі міцності бетону при розтягуванні пропонується 
використовувати загальновідому залежність:
101
Я,,, =0.23</Й 7 ( 5 8 )
Величина зчеплення укладається в стик бетону зі старим бетоном або 
бетоном збірних конструкцій за експериментальними даними становить 
приблизно:
^  = 0,045 « ^ ,  (5.9)
де - межа міцності на зчеплення з бетоном, МПа.
Таким чином, для оцінки суцільності бетонної матриці в стику виходячи з 
двох умов - (1.3) і (1.4), стають відомі всі використовувані дані і 
закономірності. Як приклад розберемо часто виникаючий випадок 
тріщиноутворення в бетоні. Припустимо, при його міцності на стиск у віці 28 
діб = 20 М Па і ширині порожнини стику 100 мм.
Порівняльні дані міцності і напруг, що розтягують бетон в стику, розраховані 
за формулами (5.5) - (5.9), і відображаючи процес утворення тріщин наведені 
в таблиці 5.1. і на малюнку 5.2.
Таблиця 5.1 - Результати розрахунку міцності і напружень розтягу бетону для 
граничної річної усадки бетону є нт= 0,4 10'3
Вік, х , (1 - е-1) Міцність бетону, МПа Напружен Ширина 
рік (доба) на на ня розтягу розкриття 
зчеплення розтягнення бетону, тріщин, мм
ІТ ы аы
0,0137(5) 0,0040 0,44 1,04 0,03 0,16
0,0274(10) 0,0270 0,62 1,32 0,25 1,08
0,0548(20) 0,0530 0,81 1,57 0,57 2,12
0,082 (30) 0,0783 0,92 1,71 0,90 3,13
0,110 (40) 0,1040 1,00 1,86 1,20 4.16
0,137 (50) 0,1280 1,07 1,91 1,56 5,12
0,164 (60) 0,1520 1,10 1,96 1,88 6,08
0,192 (70) 0,1742 1,15 1,99 2,24 7,00
- Н а п р у ж е н н я  н  С к і о и і  
при розтягуванні. МІН
‘ М і н н і с т ь  б е т о н у  
Ні! рО'іГЯі неиня. М.1ІН
Міцність бетону на 
з ч е п л е н н я .  М П а
їж інерджня оетоиу. дю
М алюнок 5.2 - Залежність усадочних напружень від міцності бетону в стику 
на розтягнення і зчеплення від часу
102
Про ширину розкриття тріщин у бетонній шпонці порожнини стику 
можна міркувати таким чином. Цілком очевидно, що відношення ширини 
розкриття тріщини а, до довжини бетону -і, схильному до деформації усадки 
(з урахуванням повзучості), відповідає величині граничній різниці 
деформації усадки (єПга).
Тобто а/1 = єІіга. В такому випадку, ширина розкриття тріщин з урахуванням 
деформацій усадки бетону в часі можна буде визначати за формулою
а = є1ш1( і - е - г)Ц (5Л 0)
де а - ширина розкриття тріщини, мм; / - довжина ділянки бетону в напрямку 
деформації усадки, мм; т - час твердіння бетону.
Аналіз даних, наведених у таблиці 1.1 і на малюнку 1.2, дозволяє зробити 
наступні висновки:
Величина результуючих розтягувальних напруг від об'ємних 
деформацій усадки і повзучості в тридцятиденному віці твердіння бетону в 
стику перебільшить величину межі його міцності на зчеплення з межею 
залізобетонної конструкції. В результаті в бетоні на контакті «бетон-бетон» 
виникне тріщина. Зазначена ситуація відображена на малюнку 5.1, на якому 
ця тріщина позначена цифрою 3.
У віці ш істдесяти днів тверднення і набуття міцності бетону в 
порожнині стику величина результуючих розтягувальних напруг перевищить 
його міцність на розтягування і в масиві бетонної шпонки стику на додаток 
до першої тріщині з'явиться друга. Дана тріщина на малюнку 5.1. позначена 
цифрою 4.
Тріщини, про які йде мова - усадочні поверхневі. Вони прискорюють 
процес зневоднення бетону, в результаті чого згодом виникають умови для 
всебільшого розкриття тріщин в стику. Даний процес, що триває досить 
довгий час, значно збільшує повітропроникність бетону стику, а, отже, і 
огороджувальної конструкції захисної споруди в цілому.
5.2 Теорія утворення тріщин в бетонних конструкціях на контактних 
поверхнях метал-бетон
У спеціальному будівництві тріщини в обсязі бетонних виробів на 
поверхнях, що контактують з металом заставних деталей входів і вводів 
інженерних комунікацій, з'являються в тому випадку, коли величина напруг, 
що розтягують від граничних деформацій усадки перевищить величину 
зчеплення бетону з металом або величину його міцності на розтягнення. Ця 
умова тріщиноутворення може бути написана таким чином:
СТь^їЦа (5.11)
<Ул> Я, (5.12)
103
де Яча - міцність бетону на зчеплення з металом, Па.
Для обчислення чисельного значення величини зчеплення бетону з 
металом (Яча) з урахуванням віку бетону можна скористатися відомою з 
класичної теорії залізобетону залежністю [4]:
Я Ча =  0 ,0 0 2 5 Я  (5.13)
Величину межі міцності бетону на розтяг, як було відзначено раніше, 
слід визначати за формулою (5.8).
Чисельне значення величини напруг, що розтягують в бетоні на 
контакті з металевими деталями можна визначати таким же чином, як це 
роблять при визначенні напруг, що розтягують в бетоні навколо арматури. 
Рішення поставленого завдання для металевої закладної деталі, 
несиметрично розташ ованої по осі бетонної призми (мал. 5.3), розглянуте в 
роботі [7]. Однак, запропоновані в ній формули для визначення напруг, що 
розтягують в бетоні (о ь,) і стискаючих напруг в металі (са), мають досить 
складний вид:
Кл
(7 (5.14)
і -і- п • в
Е у ці 1 +
С7Ь, І... : . ' О. . - (1 — еЧ  = ц 1 + j -  і с т д і - е ' й ,  (5.15) 
'.і'.'
1 + П ' U 1 +!
де ста, Е а- напруження стиску металу від усадки бетону і модуль пружності 
металу; Оа - деформації в металі; s - деформації усадки бетону; 
п= Еа ІЕы ; /и= АаІАь ; Аа - площа поперечного перерізу трубчастої металевої 
деталі введення інженерних комунікацій в спорудження; А ь - площа 
бетонного перерізу; с - відстань між центрами тяжіння металу і бетону; г - 
радіус інерції бетонного перерізу.
104
 І Ї Ї Ь ї ї і
Р " м
М алюнок 5.3 - Схема бетонної панелі з металевою конструкцією трубчастого 
введення інженерних комунікацій в спорудження: 1 - трубчасте металеве 
введення інженерних комунікацій; 2 - бетонна частина перерізу елемента. 
Формули (5.14), (5.15) можна спростити в разі, коли залізобетонні 
конструкції мають прямокутні перетини з урахуванням введення таких 
додаткових залежностей:
/г
(5.16)
'ЇЇ '
</ = (0.5 Г)// (рисунок 1.3), (5.17)
У такому випадку після відповідних перетворень формули (5.14) і (5.15) 
матимуть простіший вигляд:
/Г.л-
1 + ; ? / / + 12(0,5-■ЇЇ] ’ (5.18)
/ /  1 +  1 2 (0 ,5 -г )* ' (Тп ■ (1-е'1) (5.19)
Для уточнення величини відносини модулів пружності металу і бетону 
п = Е а /Е ь  скористаємося відомою формулою, що відображає залежність 
деформацій в металі і бетоні при їх спільній роботі
ц і -  д)
+ (5.20)
У процесі експериментальних досліджень було встановлено, що бетон 
після річного твердіння виявив усадку б = 0,40 мм/м (0,4-10"3), а бетонна 
призма з металевою закладною деталлю діаметром 44 мм (ц=0,025%) 
показала деформацію 0, 25 мм/м (0,25-10’3). Використовуючи залежність, 
(1.20) зробимо розрахунок величини відносини модулів пружності металу і 
бетону п=Еа!Еь:
105
0.25-10'3= -° ''50 10
І + я-0,025 
Звідки п = 40.
Розглянемо конкретний приклад виникнення тріщин в бетоні на 
контакті з металом (труба діаметром 44 мм, ц = 0,025% ) від річної усадки 
бетону б — 0,5 ■ 10"3, в разі, коли його гранична міцність на стиск у віці 28 діб 
становила 20 МПа. Додаткові дані: модуль пружності металу Е = 2,1-10 
МПа; п = 40, розміри бетонного перерізу (панелі) 3x2 м; ъ = 0,5/3 = 0,167.
Початкові стискальні напруги в металі і розтягувальні в бетоні, 
розраховані за формулами (5.18) і (5.19), в цьому випадку будуть 
дорівнювати: оа = 25,3 МПа, оы= 1,47 МПа.
Порівняльні дані міцності і напруг, що розтягують бетон, розраховані 
за вищ енаведеними формулами і відображають процес утворення тріщин в 
період твердіння бетону за часом, для зазначених вихідних даних 
відображені в таблиці 5.2. і на малюнку 5.4.
Для обчислення ширини розкриття тріщин на контакті метал-бетон 
скористаємося відомою залежністю (5.10). Чисельні значення ширини 
розкриття тріщин на контакті «метал-бетон» також наведені в таблиці. 5.2.
Таблиця 5.2 - Дані розрахунку міцності властивостей і напружень розтягу 
бетону на контакті з металом для усадки бетону є нт= 0,4-10"
Вік, і Міцність бетону, МПа Напруже Ширина 
доба місяць рік на стиск на на ння розкрит
зчеп розтяг розтягу тя трі
лен нення, в бетоні, щин, а 
Яы мм
ня, 3 ОЫ
мета
лом, Я я
10 0,333 0,027 13,82 1,34 1,32 0,46 0,283
20 0,667 0,055 17,98 1,70 1,57 0,93 0,487
30 1,000 0,082 20,00 1,91 1,71 1,37 0,632
40 1,333 0,110 22,14 2,06 1,86 1,82 0,736
50 1,667 0,137 23,48 2,17 1,91 2,25 0,811
60 2,000 0,164 24,58 2,25 1,96 2,65 0,865
70 2,333 0,192 25,50 2,32 1.99 3,07 0,903
80 2,667 0,219 26,30 2,38 2,03 3,46 0,931
90 3,000 0,247 27,00 2,44 2,06 3,84 0,950
106
юі
Я<р
Он М іц н ість  бетон у  
к на розтя г. М П а
’р
о0
81 шяашш  М іц н ість  бетон у  
н а зчеплення  
з  м етал ом , М Па
§
, Н апруж ення  
розтягування  
в б етон і. М П а
В ік  б ето н у , л іб
М алюнок 5.4 - М іцність і розтягу вальні напруги в бетоні на контакті з 
металом в результаті усадкових деформацій при його твердінні
На малюнку 5.5 показаний конкретний випадок утворення тріщин в 
бетоні на контакті з металевими деталями конструкцій, змодельованих в 
процесі експериментальних досліджень.
■ Н
:: У
:
М алюнок 5.5 - Тріщ ина в бетоні на контакті з металом у дослідних зразках
Наведені вище дані розрахунку і експериментальних досліджень 
дозволяють зробити наступні висновки:
107
1. Процес твердіння бетону супроводжується утворенням тріщин (в нашому 
випадку на сорокову і п ’ятдесяту добу) в момент, коли під впливом 
деформацій усадки величина напружень розтягу стає вище його граничної 
міцності на розтягнення або зчеплення з металом (мал. 5.4).
2. Поява тріщ ин (з шириною розкриття в нашому випадку 0,736 і 0,811 мм 
відповідно), викликаних процесами зменшення в обсязі бетону на контакті з 
металом закладної деталі, з плином часу супроводжується дедалі більшим їх 
збільшенням в довжину, що приводить до підвищ еної газо- (повітро-) 
проникності.
5.3 Особливості технології ін'єкційного ущільнення місць контакту 
метал-бетон сумішами, активованими магнітним полем
Тампонажним роботам по ін'єкційному ущ ільненню тріщин в 
залізобетонних виробах в захисній споруді передують попередня перевірка 
повітропроникності огороджувальних конструкцій по зовнішньому контуру 
герметизації і випробування споруди на герметичність..
Після визначення дефектних місць в процесі випробування споруди на 
герметичність організовуються тампонажні роботи по закладенню тріщин. 
Відповідно до численних рекомендацій в тріщини на контакті метал-бетон в 
конструкціях нагнітаються тампонажні суміші. Нагнітання проводиться 
двома імпульсами по 30 секунд при початковому рекомендованому тиску 200 
кПа. Надалі тиск може бути знижено до 150-170 кПа. Обов'язковою умовою 
ін'єкційного ущ ільнення тріщин в бетоні огороджувальних конструкцій на 
контакті з металом сумішами композиційних матеріалів з активованими 
водними системами, є використання в процесі тампонажних робіт 
спеціальних магнітних пристроїв, або у вигляді систем оксидно-барієвих 
магнітів 16 Б А -190 і 25 БА-250 зі сталевими полюсниками, або спеціальних 
електромагнітних пристроїв з селеновими випрямлячами і контрольними 
приладами для визначення індукції магнітного поля і сили струму в обмотці 
електромагніту, а також в дефектному місці - на контакті бетону з металом. 
Для двоетапної імпульсної обробки води та водно-цементних сумішей 
композиційних матеріалів найбільш застосовні спеціальні магнітні пристрої. 
В якості нагнітальних пристроїв можуть бути спеціальні шприци, нагнітальні 
вакуум-камери з компресорними установками (мал. 5.6).
108
Розчин
Розчин
^ 3 - ^ Д о  вакуум  
н а со с у
Розчин Розчин
д  е
М алюнок 5.6 - Пристрої для ін'єкційного ущ ільнення тріщин в бетоні 
огороджу вальних конструкцій споруд:
точкові: а - ін'єктор; б - шприц і наконечник з телескопічним упором; 
майданчикові: в - жорстка притискна камера з кріпленням анкерами; г - 
жорстка притискна камера з телескопічним упором; д - камера нагнітання, 
утримувана камерами розрідження; е - еластична притискна камера з 
телескопічним упором;
1 - нагнітання розчину; 5 - насадка; 6 - телескопічний упор; 7 - герметик; 
8 - притискна камера; 9 - анкера; 10 - камера розрядження; 11 - розподільна 
плита; 12 - еластична камера; 13 - еластичний елемент.
109
Нагнітання активованих сумішей композиційних матеріалів в тріщини 
виробляють через спеціальні штуцери, рівномірно встановлені на металевих 
закладних деталях захисно-герметичних входів і вводів інженерних 
комунікацій або за допомогою спеціальних пристроїв-ін'єкторів [3].
М іж суміжними ш туцерами встановлюють, наприклад, стійки п-подібного 
електромагніту спеціального пристрою активації водних систем сумішей 
композиційних матеріалів. Нагнітання сумішей проводиться послідовно 
знизу-вгору, починаючи з самого нижнього штуцера. У штуцер суміш 
композиційних матеріалів закачується до тих пір, поки вона не стане витікати 
через суміжний вищ ерозташ ований штуцер. Потім магнітний пристрій 
переставляється між іншими суміжними ш туцерами і процес нагнітання 
триває. Після набору композиційних матеріалів необхідної міцності 
проводиться оцінка якості тампонажних робіт.
М алюнок 5.7 - Пристрій для нагнітання в тріщини на контакті метал-бетон 
магнітореологічних композиційних матеріалів: 1 - металева заставна деталь 
захисно-герметичної двері; 2 - електромагнітний пристрій для створення 
локального магнітного поля; 3 - штуцер для нагнітання сумішей
композиційних матеріалів в тріщини бетону на контакті з металом; 4 - отвори 
для установки штуцерів; 5 - джерело постійного струму
110
5.4 Теоретичні передумови і аналіз результатів даних  
експериментальних досліджень повітропроникності композиційних 
матеріалів як параметра оцінки якості тампонажних робіт.
Якість тампонажних робіт по закладенню тріщин в огороджувальних 
конструкціях захисних споруд і в стиках великопанельних будинків можна 
оцінювати по газопроникності матеріалів, наприклад, способом 
прокачування через ці матеріали повітря (за рахунок створення 
надлишкового тиску з одного боку конструкції).
Рух повітря через огороджувальні будівельні конструкції будівель і 
споруд відбувається через пори і тріщини матеріалу в процесі перепаду тиску 
за рахунок вітрового або температурного підпору. При цьому 
газопроникність матеріалів характеризується наступними механізмами
перенесення:
- молекулярною дифузією (при радіусі максимальних пір до 10'7 м);
- молекулярним кнудсеновським потоком (при радіусі пір від 10"7 до 10'6 м);
- в ’язкістним пуазейлевським потоком (при радіусі пір більше 10' м).
Переважним в перенесенні газів через огороджувальні конструкції 
будівель і споруд є в ’язкістний потік.
У загальному випадку рух газу в пористому середовищі огороджувальних
конструкцій будівель і споруд описується нелінійним диференціальним
рівнянням параболічного типу
д2Р д2Р д2Р т/л дР 
 Т  г Н    ---------- ,
ох" ду" д~~ аїр ді (5 .21 )
п+1
де Р = р ~  .
- функція тиску; р - абсолютний тиск газу; п - показник політропи
в рівнянні стану газу (при ізотермічному процесі п = 1); ш, с - відповідно,
пористість і коефіцієнт проникності середовища; ц - динамічна в'язкість газу;
х,у,г, ї - просторові й тимчасові координати.
Рішення окремих випадків виробляють інтеграцією рівняння (5.21) з
відповідними початковими і граничними умовами. При стаціонарному
процесі, коли тиск в часі не змінюється і правий член рівняння дорівнює
нулю, рівняння переходить в рівняння Лапласа. При цьому масова витрата
газу (М) через пористе середовище в напрямку осі х через площу А
конструкції дорівнює:
а  і дР ,
Р  - іф( 1 п) сіг ^  22)
де />а - постійна;
111
р а, ра - відповідно, атмосферний тиск і щільність газу при цьому тиску.
Для одновимірного ізотермічного руху газу при стаціонарному процесі 
рішення рівняння (4.1), має вигляд
+ ' (5  2 3 )
де к - товщ ина середовищ а в напрямку руху газового потоку; та р 2 - тиск 
газу на межах пористого середовища, відповідно при х = 0 і х =И.
М асова витрата газу через пористе середовище площею А в цьому випадку 
буде дорівнювати
М ~  ' ...
2іф І, (5 2 4 )
Якщо на жодному з меж середовища тиск дорівнює атмосферному, а на 
іншій незначно перевищує його, то масову витрату газу можна визначити за 
спрощеною формулою
ц =££к_Д 4
~ » !і ' ' ,  (5.25)
Лр - перепад тиску на межах середовища (на зовнішній і внутрішній 
поверхнях конструкції).
Об'ємна витрата газу (0 ) , віднесена до атмосферного тиску, в цьому випадку 
буде дорівнювати
и І? (5.26)
Для повітря, наприклад, при температурі 0° С і перепаді тиску 1 мм вод.
ст., рі• вного 9,81 Па масова (М, кг/с) і•  об'ємна (0 , м З/с) витрати можуть бути 
визначені за наступними відповідними залежностями:
А/ = 7.4-105 — ; (5 .27)
/;
О = 5 , 7 - Ю 5 —  . (5 .28)
її
Перепад тиску (підпір) газу в приміщенні, обмеженому пористим 
середовищем, якщо початковий тиск всередині приміщення більш (або менш) 
атмосферного, а зовнішній тиск постійно дорівнює атмосферному, 
описується наступним наближеним рівнянням
(5.29)
де надлишковий тиск повітря в приміщенні в момент часу ї; Др0 - початковий 
надлишковий тиск повітря в момент часу ї = 0; А - площа огороджувальної 
конструкції (пористого середовища); V - об'єм приміщ ення (внутрішнього 
простору споруди).
М асова витрата газу в момент часу ї може бути обчислена за формулою:
112
,  срв ЛІ
" h , (5.30)
а загальний масовий витік газу з приміщення (споруди) через огороджувальні 
конструкції за час t буде відповідно дорівнювати:
(5.31)
Попередні експериментальні дослідження дозволили визначити 
залежність між проникністю с і шириною розкритої наскрізної тріщини, яка 
описується наступною формулою
5/ ' (5.32)
де аі - ш ирина тріщини, м; / - протяжність елемента конструкції, що 
обгороджує з тріщиною, м.
Коефіцієнт повітропроникності може бути визначений через проникність з 
урахуванням його динамічної в'язкості ц  за такою залежністю
kg^ с/ ju
де с - коефіцієнт проникності; kg - коефіцієнт повітропроникності, кг/(м“ год. 
мм вод. ст.).
Фізична сутність цього коефіцієнта є не що інше, як маса повітря, яка 
проникає через 1 м2 площі матеріалу конструкції за одну годину, при 
перепаді тиску по обидва боки конструкції що дорівнює 1 мм вод.ст..
Дані експериментальних досліджень дозволили також встановити 
об'ємну витрату повітря (Q, м3/с) через одиночну тріщину в конструкції (при 
ламінарному русі повітря), який може бути обчислений за допомогою 
наступної формули
и h \n
0  = 0,013-
№ ’> (5.33)
де а - ширина тріщини, м; b - довжина тріщини, м; Лр- перепад тиску, Па; ц -
динамічна в'язкість повітря, Па с ;  h - товщ ина конструкції, м; со - коефіцієнт
шорсткості стінок тріщини, що визначається за графічною залежністю,
наведеною на малюнку 5.8.
При цьому коефіцієнт проникності стиків, замонолічених цементними 
тампонажними сумішами, може визначатися по залежності:
_ Q/tl>
аАР ' (5.34)
де Q - об'ємна витрата газу через тріщину в стику шириною а при перепаді 
тиску Др, мз/с; h - товщ ина конструкції, м.
Проведені в процесі основних експериментальних досліджень оцінки 
повітропроникності тампонажних складів композиційних матеріалів за 
методикою, викладеною в розділі 2, дали такі результати (таблиця 5.3).
Ш и р и н а  розкриття тріщ ин , м м  
—О— Крива для визначення коефіцієнта ш орсткості стінок тріщ ини
Малюнок 5.8 - Крива для визначення коефіцієнта шорсткості в залежності від 
ширини розкриття тріщини
Таблиця 5.3 - Результати оцінки повітропроникності місць закладення тріщин 
на контакті метал-бетон сумішами композиційних матеріалів
№ Склад композиційних в, І, А 9 с Коефіциєнт Опір Коефіцієнт 
п/п матеріалів в частинах за масою мТл повітропрон повітропрон ефективно 
Це Пі Наповн Вода икнення, икненнюЩк, сті, Кс
мент сок ювач к% кг/(м"- ч -да (м“-ч-
(шлак) Па) даПа)/кг
1 - 0,1 0,50 0,38 0,50 60 3,9810'3 251,19 1,36
2 - - - 5,40 10'3 185,25
3 197,79
1 - 0,1 0,75 0,38 0,50 60 5,06 10'3 1.33
4 6,71-10"3 149,05
5 0,38 0,50 60 275,23
2 0,1 0,48 1,29
6 - - - 213,36
Дані, наведені в таблиці 5.3, дозволяють зробити наступні висновки:
- магнітна обробка систем тверднення з феромагнітним наповнювачем 
дозволяє знизити повітропроникність композиційних матеріалів в межах від 
29 до 36%;
- отримані чисельні значення коефіцієнтів повітропроникності основних 
складів композиційних матеріалів з встановленими параметрами магнітної 
обробки водних систем композиційних матеріалів можуть служити
114
орієнтовними даними для оцінки якості тампонажних робіт по ущільненню 
тріщин в залізобетонних конструкціях захисних споруд на контакті метал- 
бетон.
5.5 Техніко-економічна ефективність тампонажних робіт по ін'єкційному 
заповненню пош коджень в залізобетонних поверхнях
Техніко-економічна ефективність використання магнітних цементних 
композиційних ін'єкційних матеріалів з двоетапною магнітною обробкою 
води і водно-цементних систем визначалася шляхом порівняння базового та 
пропонованого варіантів. Варіанти відрізнялися тільки складами, витратні 
матеріали яких наведені в таблицях 5.4 і 5.5.
Розрахункові дані кількості витратних матеріалів на їм 3 суміші були 
визначені на основі відомого закону водоцементного відношення, відповідно 
до якого розрахунок межі міцності магнітних композиційних матеріалів на 
стиск проводився за формулою:
М„ Кь 0,8
де Мц/Мц- - цементно-водне відношення; Яь - межа міцності композиційних 
матеріалів на стиск;
Яц - активність цементу; А- коефіцієнт, що характеризує ступінь магнітної 
обробки: Аі = 0,7 (одноетапна обробка води); А? = 0,8 (двоетапна обробка: 
води і водо-цементних сумішей).
Таблиця 5.4 -  Вихідні матеріали і параметри, що характеризують базовий і 
пропонований варіанти на 1 л води (на 1000 с м )
№№ Показники Одиниця Варіанти
п/п вимірювання Базовий Пропонований
1. Вода, маса (Мв) кг 1 1
2 . Вода, об’єм ( У в ) л/см’ 1 / 1 0 0 0 1 / 1 0 0 0
3 . Цемент, маса (Мц) кг 2 , 2 2 2 , 0 0
4 . Водоцементне - 0 , 4 5 0 , 5 0
співвідношення ( М в / М ц )
5 . Цементноводне - 2 , 2 2 2 , 0 0
співвідношення ( М ц / М в )
6. Тонкомолотий кг 0 , 2 2 0 , 2 0
конвертерний шлак, маса 
( М д і )
7 . Суперпластифікатор СП- кг 0 , 0 2 2 -
3 ,  маса ( М д 2 )
8 . Маса бетонної суміші кг 2 , 7 7 2 , 4 6
(Мбс)
9 . Об'єм бетонної суміші см3 1 3 9 8 1 4 0 0
( У б с )
10. Щільність бетонної кг/м3 1 9 8 1 1 7 5 7
суміші Рк
Таблиця 5.5 - Витратні матеріали композиційних матеріалів за варіантами на 
1 м3 бетонної суміші
№№ Витратні матеріали Одиниця Варіанти
п/п вимірювання Базовий Пропонований
1. Витрата цементу, маса кг 1269,87 1098,13
цементу
2. Витрата води (Мв) кг(л) 571,44 549,06
3. Витрата тонкомеленого кг 126,99 109,81
конвертерного шлаку 
(М ді)
4. Витрата кг 12,70
суперпластифікатору 
СП-3 (МдЗ)
У таблиці 5.6 наведені порівняльні характеристики міцності і інші показники 
для композиційних матеріалів за варіантами. При цьому чисельні значення 
межі міцності композиційних матеріалів за варіантами були визначені за 
формулою (5.35).
Для розрахунку економічної ефективності використано відому формулу: 
Е = [ ( С і + Е н - К і )  - (С 2 +  Е н-К2)]-У , (5.36)
де Е  - економічний ефект, грн.; С ь С 2 - собівартість тампонажних робіт по 
закладенню тріщин з використанням композиційних матеріалів за варіантами 
(базовий і пропонований), грн.; Е н - нормативний коефіцієнт ефективності; 
К ь К 2 - питомі капітальні вкладення; V - об'єм інвестицій, грн.
Таблиця 5.6 - Характеристики міцності і інші показники композиційних 
матеріалів за варіантами: базовий і пропонований
№№ Показники Одиниця Варіанти
п/п вимірювання Базовий Пропонований
1. Активність цементу, й ц МПа 45 45
гп.. Коефіцієнт, що 0,7 0,8
характеризує ступінь 
магнітної обробки для 
формули (4.1): 
одноетапною для 
базового варіанту (Аі) і 
двоетапною для 
пропонованого 
варіанту (А2)
3. М ежа міцності МПа 34 36
композиційних 
матеріалів на стиск, йь
4, Коефіцієнт кг/(м2 ч-даПа) 5,40-10'3 3,98-10"3
повітропроникності, к.%
5. Опір повітропро (м’ ч-даПа)/кг 185,25 251,1
никності, ^
Таблиця 5.7 -  Витрати за варіантами: базовий і пропонований
Хо Витрати Одиниця В а р т іс ть Обгрунтування Варіанти
п/п виміру об 'єм у Базовий Пропонований
(кількості) Кількість Сума Кількість Сума
1. Матеріали - - - 101 "1,8 - ""02,3
1. Цемент кг 5-00 таблиця 4.2 1269.9 6349.5 1098,1 5490.5
АО.. Тонкомолотий конвертерний шлак кг 20-00 таблиця 4.2 127.0 2540,0 110.0 22ІОО
3Л . Супервдастифікатор СП-3 кг 100-00 таблиця 4.2 12.7 1270.0 - -
4. Вода м 21-48 таблиця 4.2 0,571 12.3 0.549 11.8
2. Електроенергія квт-год 3-21 0.31 1,0 0.31 1.0
ДБН -2002. гл. 3"20.0 3"20,О
6000 0.62 0,62
З.Работа механізмів и обладнання мащ-год 2. додаток т.1.
4. Витрати праці ЛЮД-ГОД 5900 §47 1,12 6608,0 1,12 6608.0
Разом: прямі витрати <Ш) 20500,8 18031.3
Накладні витрати (НР=0.18 П'З) 3690,14 3245,63
Плановий прибуток (ПП=0,06<ПЗ+НР) 1451,46 12 "6,62
Собівартість, разом 25642,40 22553,55
117
З огляду на те, що пропонований варіант не вимагає додаткових капітальних 
вкладень ( К і= І <2  и Е н К ш Е н К г ) ,  розрахунок економічного ефекту був 
проведений за формулою:
Е =  ( С і -  С г) • V .  ( 5 . 3 7 )
Собівартість робіт за варіантами визначалася з урахуванням трьох 
складових елементів за такою формулою
С і = П З і + НР+ ПП, (5.38)
де ГІЗ - прямі витрати (вартість матеріалів, роботи машин, механізмів і 
заробленої плати по трудовитратах), грн.; НР - накладні витрати (18% від 
прямих витрат), грн.; ПП - плановий прибуток (6% від ПЗ + НР).
Чисельні значення собівартості робіт і їх складові елементи за варіантами 
наведені в таблиці 5.7.
При цьому економічний ефект на 3 м композиційних матеріалів, 
розрахований за формулою (4.3) з урахуванням (4.4) і даних, наведених у 
таблиці 5.5, буде дорівнювати 
Е  = (25642,40 - 22553,55)-1 = 3088,85 грн.
Таким чином, при більш високій міцності композиційних матеріалів і 
меншим газопроникненням (тобто при більш якісному ін'єкційному 
закладенні тріщин в бетоні огороджувальних конструкцій споруд) 
застосування пропонованого варіанту складу композиційних матеріалів дає 
економічний ефект 3088,85 грн.. на 3 м3 тампонажної суміші.
118
ЗАГАЛЬНІ ВИ СНОВКИ
1 .Проаналізовано сучасний стан питання застосування та характеристик 
композиційних матеріалів на неорганічних в ’яжучих, що використовуються 
методом ін ’єктування для усунення пошкоджень в залізобетонних поверхнях 
будівель. Проблема герметизації вертикальних стиків великопанельних 
будинків та огороджувальних конструкцій для виключення затікання в їх 
внутрішній простір забрудненого повітряного середовищ а і вологи, може 
бути виріш ена за рахунок насичення матриць тонкодисперсними 
феромагнітними наповнювачами і оптимизувального впливу на них 
параметрів локального магнітного поля. Встановлено, що найбільш 
ефективним є використання в якості наповнювача конвертерних шлаків. Так, 
шляхом використання нових складів ефективних цементних композиційних 
ін'єкційних матеріалів можна поліпшити характеристики міцності, реологічні 
та адгезійні властивості систем тверднення. Таким чином, отримані в процесі 
аналізу експериментальних досліджень дані про повітропроникності 
матеріалів, а також наведені проаналізовані теоретичні положення, що 
визначають залежності між різними параметрами оцінки повітропроникності 
матеріалів, дозволяю ть стверджувати, що інженерні рішення по організації і 
здійсненню тампонажних робіт по закладенню вузьких тріщин в бетонних 
конструкціях за допомогою композиційних матеріалів є оптимальними.
2. Проаналізовано результати досліджень, що обґрунтовують можливість 
використання феромагнітних наповнювачів з відходів виробництв у вигляді 
тонкомолотого конвертерного шлаку і продуктів обробки металів 
абразивними матеріалами для створення ефективних структурованих 
цементних композиційних ін'єкційних матеріалів, активованих двоетапною 
магнітною обробкою води і водно-цементних систем, з необхідними 
характеристиками міцності і реологічні властивості для якісного ін'єкційного 
ущільнення тріщин на поверхні розділу «бетон-бетон» в стиках 
великопанельних будинків і «метал-бетон» в залізобетонних конструкціях 
захисних споруд спеціального будівництва.
3. Досліджено оптимальні склади композиційних матеріалів, активовані 
двоетапною магнітною обробкою води і водно-цементних систем для 
ефективного ін'єкційного закладення вузьких і широких тріщин у 
залізобетонних конструкціях будівель і споруд.
3. Проаналізовано магнітну сприйнятливість сумішей складів композиційних 
матеріалів, активованих двоетапною магнітною обробкою (води і водно- 
цементних систем сумішей) для ін'єкційного ущ ільнення вузьких і широких 
тріщин у залізобетонних конструкціях.
4. Показані граничні параметри зовнішнього локального магнітного поля і 
тиску нагнітання тампонажних сумішей композиційних матеріалів, 
активованих двоетапною  магнітною обробкою для ін'єкційного закладення 
вузьких і широких тріщин у залізобетонних конструкціях на контактних 
поверхнях «метал-бетон» і «бетон-бетон».
5. Проаналізовано теоретичне обґрунтування оцінки проникності 
повітропроникності місць ін'єкційного закладення тріщин складами 
композиційних матеріалів і визначені параметри контролю якості робіт по 
повітропроникненню ущ ільнених місць.
6. Проаналізовано методику оцінки якості тампонажних робіт ін'єкційного 
ущільнення тріщин активованими двоетапною магнітною обробкою 
складами композиційних матеріалів за встановленими в процесі аналізу 
експериментальних досліджень значень коефіцієнта повітропроникності 
матеріалів ущільнення.
7. Досліджено технологію ін'єкційного ущ ільнення тріщин на поверхні 
розділу «метал-бетон» в залізобетонних конструкціях захисних споруд і 
«бетон-бетон» в вертикальних стиках великопанельних будівель і споруд 
складами композиційних матеріалів, активованими двоетапною магнітною 
обробкою під впливом зовнішнього локального магнітного поля на основі 
виконаного аналізу процесу тріщиноутворення в бетоні на контактних 
поверхнях «метал-бетон» в місцях установки в залізобетонних конструкціях 
захисних споруд металевих виробів у вигляді захисно-герметичних входів і 
вводів інженерних комунікацій, а також «бетон-бетон» в матеріалах 
заповнення порожнин вертикальних стиків між збірними конструкціями 
великопанельних будинків і споруд.
СПИСОК ВИ КОРИ СТАН И Х ДЖ ЕРЕЛ
1. Конспект лекцій з дисципліни «Композиційні будівельні матеріали» (для 
студентів «М іське будівництво та господарство») Авт. О.В. Кондращенко. -  
Харків: ХНАМ Г, 2009. -  68 с.
2. Адгезиметр механічний «Константа-А»: - ЗАТ «Константа». - 2003. - 12с.
3. Апарати для активації води та створення бетонів з біоцидними 
властивостями на активованій воді замішування/А. А. М атвієвський, В. Т. 
Єрофєєв, С. В. Ф едосов // Біотехнологія: стан та перспективи розвитку: 
матеріали IV міжнар. конгр. - , 2 0 1 1 . - 4 .  1. - 128 с.
4. Бетоні та будівельні розчини Л.Й. Дворкін, О.Л.Дворкін. - Основа, 2008- 
445 с.
5. М одифіковані бетони. Теорія та практика / В. Г. Батраков. -: 2-ге вид., 
перераб. та доп., 1998. - 768 с.
6. Біологічний опір цементних композитів на активованій воді / В. Т. 
Єрофєєв, Є. А. Мітіна, А. А. М атвієвський // Нові енерго- і ресурсозберігаючі 
наукомісткі технології у виробництві будівельних матеріалів: матеріали 
наук.-техн. конф. -, 2007. - С. 74 - 76.
7. М агнітні герметизуючі епоксидні композиційні матеріали з 
наповнювачами з відходів виробництв: монографія / А. С. Бочарніков, М. А. 
Гончарова, А. В. Глазунов; за заг. ред. А. С. Бочарнікова. - :  Видавництво 
ЛДТУ, 2 0 0 9 ,-  169с.
8. Композиційні матеріали на основі водних активованих для ін'єкційного 
ущ ільнення бетону огороджувальних конструкцій / Бочарніков, А. С. // 
Будівельні матеріали. - 2015. - № 5. - С. 31-34.
9. Фізико-хімічні основи утворення модифікованих гідросилікатів кальцію в 
композиційних матеріалах на основі системи / В. Н. Вернігорова. -, 2001. - 
394 с.
10. Вплив способів активації на хімічні та фізико-хімічні властивості води /А.
А. Седова, А. К. Осипов, А. А. М атвієвський // Вісник регіонального 
відділення /.-2010.-Вип. 13. - С. 236 - 240.
11. Глазунов, А. В. Магнітні герметизуючі епоксидні композиційні матеріали 
з наповнювачами з відходів виробництв: автореф. дне., канд. техн. наук: 
05.23.05. / А. В. Глазунов. - ,  2010. - 23 с.
12. Вплив різних активаторів на твердіння та фазовий склад новоутворень 
шлакового в'яжучого / М.Ю . Гончарова// Сучасні проблеми будівельного
121
матеріалознавства: Тез. доп. міжнародний, науково-технічної конф. , 1998. -  
С. 2 4 - 2 6 .
13. Н изькоенергетична активація дисперсних систем. / Н. П. Горленко, Ю. С. 
Саркісов. 2011. -  264 с.
14. Довговічність цементних композитів на активованій воді / В. Т. Єрофєєв, 
Є. А. Мітіна, А. А. М атвієвський // Промислове та цивільне будівництво. - 
2008. -№  7. - С .51-52.
15. Основа структуроутворення цементного каменю та його механічна 
міцність. / Н. І. М акрідін, І. Н. М аксимова, Ю. В. Овсюкова, П. А. 
Апін//Сировинні ресурси регіонів та виробництво на їх основі будівельних 
матеріалів: матеріали науково-техн. конф., 2017. - С. 188-193.
16. Дослідження властивостей наповнених цементних композитів, розчинів 
та бетонів на активованій воді замішування / А. А. М атвієвський, Д. В. 
Ємельянов, П. В. Ю дін // Актуальні питання будівництва: матеріали міжнар. 
наук.-техн. конф.: 2009. -  Ч. 1. -  С. 144 -  148.
17. Дослідження властивостей наповнених цементних композитів, розчинів 
та бетонів на активованій воді замішування [Електронний курс] / А. А. 
М атвієвський, Є. А. Мітіна, В. Т. Єрофєєв [та ін.] // Будівництво, архітектура, 
дизайн. - Електрон, журн. - ,  2009. -  №3 (7). - Режим доступу: 
h ttp ://m archdi. m rsu. com .
18. Дослідження властивостей цементних композитів, розчинів та бетонів на 
активованій воді замішування / В. Т. Єрофєєв, Є. А. М ітіна, // Актуальні 
питання будівництва: матеріали, наук.-техн. конф. -, 2006. - Є. 423 - 428.
19. Дослідження структуроутворення цементних композитів на активованій 
воді заміш ування / В. Т. Єрофєєв, Є. А. М ітіна, // Актуальні питання 
будівництва: матеріали наук.-техн. конф. -, 2006. - Є. 418 - 422.
20. Техногенні відходи металургії - сировинна база для мінерально-шлакових 
композиційних в'язких / В. В. Калачов, О.Ю. Пуш карська, J I  Н. Губанова // 
М атеріали V М іжнародної науково-техн. конф. -, 2009. - 4 .1 . - С. 114-120.
21. Основи пластифікування мінеральних дисперсних систем для 
будівельних матеріалів: дис. д-ра техн. наук у формі наук. доп. / Калашніков
В.І. -, 1996. - 89 с.
22. До питання оптимізації структури та властивостей бетону. / Н. І. 
Макрідін, А. П. Прошин, І. Н. М аксимова // Сучасні проблеми будівельного 
матеріалознавства. Частина III. Перспективні напрями в теорії та практиці 
мінеральних в'язких речовин та матеріалів на їх основі. - ,  2006. -  Є. 70-72.
122
23. Розробка складів та підвищення експлуатаційних характеристик 
цементних бетонів при використанні техногенної сировини металургії: 
автореф. дис. канд. техн. наук 05.23.05 / Т. М. Клавдієва. 2010. -  23 с.
24. Будівельні композиційні матеріали з урахуванням ш лакових відходів: 
монографія /А.Д. Корнєєв, М.А. Гончарова, Б.А. Бондарев. —, 2012. — 120 с.
25. Поліпш ення якості цементного каменю ш ляхом багаточастотної 
ультразвукової активації води замішування / А. І. Кудяков, А. Г. Петров, Г. Г. 
Петров, К. В. Іконнікова // Вісник ТДАСУ.- 2012.- № З,- С 143-152.
26. Нові будівельні матеріали на основі активованої води замішування з 
покращеними фізико-технічними та експлуатаційними властивостями / А. А. 
М атвієвський, Д. В. Ємельянов, П. В. Ю дін // Композиційні будівельні 
матеріали. Теорія та практика. - 2010. - С. 53 - 58.
27. Параметри тріщиностійкості цементних систем з позицій механіки 
руйнування/Н. І. М акрідін, А. П. Прошин, 1998. - 134 с.
28. М іцність та параметри руйнування цементних композитів: монографія /1.
H. М аксимова, Н. І. М акрідін, В. Т. Єрофєєв, Ю. П. Скачков. -, 2015. - 360 с.
29. Поліструктурні теорія композиційних будівельних матеріалів: монографія 
/В . І. Соломатов, В. Н. В и ровий //Ташкент: ФАН, 1991. - 345 с.
30. Структура та конструкційна міцність цементних бетонів / Н. І. Макрідін,
I. Н. М аксимова -, 1999. Частина І. -  156 с.
31. Цементні композити на основі магнітно- і електрохімічно активованої 
води замішування: монографія / Ю. М. Баженов, С. В. Федосов, В. Т. 
Єрофєєв -: Вид-во ун-ту, 2011 .-128 с.
32. Про деякі аспекти процесів структуроутворення цементно-водних 
композицій / Є. І. Ш мітько, О. В. Крилова, Н. А. Борисова / Праці VIII 
академічних читань відділення наук. - 2014.
33. Композиційні в ’яжучі низької водопотреби, що містять цементний пил 
Л.Й. Дворкін/ Вісник ОДАБА. Одеса 2012 .-е  121-129.
34. ДБН В. 1.4-2.01-97. Радіаційний контроль будівельних матеріалів та 
об'єктів будівництва - К и їв-1997.
35. ДСТУ Б.В .2.7.-171:2008 Будівельні матеріали. Добавки для бетонів і 
будівельних розчинів. Загальні технічні умови /.К.: - 2008.
36. Будівельне матеріалознавство/ Посібник для студентів вищих навчальних 
закладів/ За ред. П.В.Кривенко. - К.: Ліра-К, 2014. -  624 с.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
