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
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6099| Title: | Дослідження використання вторинних матеріалів для влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів |
| Authors: | Демессіе , Мекуріа Келкай Варгач, Дмитро Станіславович |
| Keywords: | бетонна підлога;вторинні матеріали;промислові будівлі;паркінги;термін експлуатації;надійність |
| Issue Date: | Dec-2024 |
| Abstract: | Варгач Д.С. «Дослідження використання вторинних матеріалів для влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів». - Рукопис. Кваліфікаційна робота здобувана вищої освіти за спеціальністю 192 - Будівництво та цивільна інженерія. - Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2024. Кваліфікаційна робота присвячена аналізу та дослідженню використання вторинних матеріалів для влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів. Проаналізовані вторинні матеріали, які отримані з подрібнених бетонних виробів, що втратили свої експлуатаційні властивості після закінчення терміну експлуатації чи пошкоджених в результаті надзвичайних обставин повномасштабної війни. Проаналізовані процеси подрібнення з додаванням добавок задля отримання покращених властивостей та збільшення надійності бетонних підлог промислових будівель та паркінгів. Визначені оптимальні склади такого бетону з урахуванням структурних характеристик. Примінення таких матеріалів та сучасних технологій влаштування послугує вирішенню проблеми прискорення утилізації та витрачання великої кількості вторинних матеріалів після знесення бетонних аварійних будівель і споруд, в яких завершився термін експлуатації, або таких, що не підлягають реконструкції та відновленню. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6099 |
| Appears in Collections: | 192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Magisterska robota Vargach.pdf Restricted Access | 3.9 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
з Анотація Варгач Д.С. «Дослідження використання вторинних матеріалів для влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів». - Рукопис. Кваліфікаційна робота здобувана вищої освіти за спеціальністю 192 - Будівництво та цивільна інженерія. - Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2024. Кваліфікаційна робота присвячена аналізу та дослідженню використання вторинних матеріалів для влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів. Проаналізовані вторинні матеріали, які отримані з подрібнених бетонних виробів, що втратили свої експлуатаційні властивості після закінчення терміну експлуатації чи пошкоджених в результаті надзвичайних обставин повномасштабної війни. Проаналізовані процеси подрібнення з додаванням добавок задля отримання покращених властивостей та збільшення надійності бетонних підлог промислових будівель та паркінгів. Визначені оптимальні склади такого бетону з урахуванням структурних характеристик. Примінення таких матеріалів та сучасних технологій влаштування послугує вирішенню проблеми прискорення утилізації та витрачання великої кількості вторинних матеріалів після знесення бетонних аварійних будівель і споруд, в яких завершився термін експлуатації, або таких, що не підлягають реконструкції та відновленню. Ключові слова: бетонна підлога, вторинні матеріали, добавки, промислові будівлі, паркінги, термін експлуатації, надійність, довговічність. 6 ВСТУП Актуальність теми. Нині у світовій практиці підвищується інтерес до рециклінгу, тобто повторного використання бетону в будівельному виробництві. Значна кількість бетонного брухту утворюється під час розбирання споруд, плит тимчасових доріг, паль, при випробуванні конструкцій та накопичуванні некондиційних залізобетонних виробів, які виникають при заміні житлового фонду, у випадках стихійного лиха чи військової агресії. Щорічний обсяг бетонного брухту постійно збільшується. Так, наприклад, в країнах Євросоюзу щорічно руйнується біля 50 млн. т бетонних та залізобетонних конструкцій, в СІЛА - 60 млн. т, в Японії - 12 млн. т. Щебінь із подрібненого бетону використовують як звичайний будівельний матеріал, що пропонується для широкого застосування в різних галузях будівельного виробництва. Це дозволяє економити сировинні ресурси та поліпшити екологію довкілля. При одержанні щебеню з подрібненого бетону витрати палива у 8 разів менші, ніж при його видобутку у природних умовах, а собівартість бетону на вторинному щебені знижується на 25%. Найбільш перспективним є механічний метод активації щебеню із подрібненого бетону. При механічних методах активації передбачається самоподрібнення при перемішуванні щебеню у змішувачах або їхня обробка в кульових млинах з металевими кулями. Ефективність використання щебеню з подрібненого бетону зростає при застосуванні його замість заповнювача з природного кам’яного матеріалу при виробництві конструкцій зі збірного залізобетону безпосередньо на підприємстві, що здійснює переробку некондиційної продукції. В даний час в промислових будівлях та автомобільних паркінгах широко застосовуються монолітні підлоги на основі цементних розчинів і бетонів. Твердіння їх супроводжується великими усадковими деформаціями, а для зниження стійкості до тертя і підвищення ударної стійкості, зменшення пилоутворення потрібні додаткові дії по обробці поверхні бетону. Розв’язанням питання є отримання високоефективного монолітного бетону на основі таких вторинних матеріалів як бетонний брухт. Використання даного монолітного бетону з безусадочними та самоущільнювальними властивостями дозволяє значно знизити трудомісткість бетонування, а також уникнути утворення тріщин через усадочні деформації, що виникають при твердінні. У свою чергу, застосування в монолітному самоущільнювальному бетоні матеріалів з бетонного брухту дозволяє розширити сировинну базу будівельних матеріалів і ефективно використовувати 7 відходи, що утворюються під час знесення старих будівель, в яких закінчився термін експлуатації, чи суттєво пошкоджені внаслідок військової агресії. Тому тема досліджень є актуальною Метою кваліфікаційної роботи магістра є дослідження та аналіз використання вторинних матеріалів для влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів з обґрунтуванням високотехнологічних рішень влаштування з оптимальними експлуатаційними показниками. Завдання дослідження: - дослідити стан питання монолітних підлог, виготовлених з вторинних матеріалів; обґрунтувати можливість отримання монолітного бетону з безусадочними та самоущільнювальними властивостями шляхом регулювання його складу і структури для виготовлення підлог на основі використання вторинних матеріалів; - проаналізувати отримання зернового складу заповнювачів, що відповідний оптимальній гранулометричній кривій; - проаналізувати спосіб отримання полідисперсних модифікаторів на основі відсіву дроблення щебеню; - проаналізувати використання методів математичного планування експерименту експериментально-статистичні залежності властивостей монолітного бетону від його складу і структури; вирішити задачу оптимізації складу монолітного бетону з самоущільнювальними властивостями за допомогою введення оптимальної кількості розширювальної добавки для компенсації деформацій, що виникають при твердінні в підлогах будівель; - проаналізувати структуру монолітного бетону за допомогою методів рентгенофазового аналізу, електронної мікроскопії та інфрачервоної спектроскопії; - дослідити вплив розширювальної добавки на основні фізико-механічні, деформативні та експлуатаційні властивості монолітного бетону з переробленого бетонного брухту; - проаналізувати технологію виробництва монолітного бетону з самоущільнювальними властивостями для підлог промислових будівель та паркінгів на вторинних сировинних матеріалах; - визначити техніко-економічну ефективність. 8 Об'єкт дослідження - монолітний бетон заданої структури, виготовлений на основі вторинних рециклінгових матеріалів. Предмет дослідження - закономірності структуроутворення монолітного бетону з самоугцільнювальними властивостями на основі вторинних матеріалів з бетонного брухту, що впливають на експлуатаційні властивості підлог промислових будівель та паркінгів. Практична новизна. Теоретично обґрунтована та проаналізована можливість одержання бетону для підлог промислових будівель та паркінгів з самоущільнювальними властивостями шляхом введення тонкодисперсного модифікатора і розширювальної добавки. Це рішення дозволяє на початковому етапі формування структури композиційного в'яжучого створити центри кристалізації, іммобілізувати воду, переводячи її з вільного стану в адсорбційно-зв’язний, поліпшивши одночасно реологічні властивості бетонної суміші, компенсувати усадку, знизити капілярну пористість, підвищити міцність і тріщиностійкість затверділого бетону. На основі досліджень початкового структуроутворення проаналізовані встановлені еталонні структурні характеристики самоущільнювального бетону: об'ємна концентрація в'яжучого і істинне водов’яжуче відношення, які спільно з кількістю суперпластифікатора УібсоСгєґє 8іка дозволили отримати експериментально- статистичні моделі властивостей самоущільнювального бетону, які необхідні для прогнозування міцності, щільності, тріщиностійкості, зносостійкості бетону та оптимального підбору його складу. Практичне значення. - обґрунтована можливість отримання бетону високої міцності для підлог промислових будівель та паркінгів з використанням вторинних матеріалів, що не суперечить і доповнює теорію композиційних матеріалів на основі портландцементу; отримання бетону високої міцності можливо шляхом спільного використання високоефективного суперпластифікатора, крупного заповнювача з вторинних матеріалів - дробленого бетону, полідисперсного композиційного в'яжучого, що складається з портландцементу і мікронаповнювача, розширювальних добавок; - сформульовані теоретичні уявлення про проектування складу монолітного самоущільнювального бетону з необхідною плинністю, в'язкістю на основі єдиних аргументних характеристик структурної теорії: об'ємної концентрації в'яжучого, істинного водов’яжучого відношення, а також кількості полікарбоксилатного суперпластифікатора 8іка УізсоСгеґе; 9 - проаналізовано склад і режим виготовлення самоущільнювальної бетонної суміші з оптимальними технологічними властивостями; - проаналізовано бетон для підлог промислових будівель та паркінгів, що має підвищені експлуатаційні характеристики та рекомендації по виробничому отриманню компонентів для бетону з вторинних матеріалів. Методика дослідження. Методологічною основою дослідження були праці вітчизняних та зарубіжних науковців, технологів, проектувальників та будівельників. Застосовано порівняльний аналіз дослідження та методологічні основи системно-структурного підходу будівельного матеріалознавства, що складається зі складу матеріалів, структури та властивостей. Узагальнення та перевірка отриманих результатів. Структура і обсяг роботи. Складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, містить 131 сторінку. 10 РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ З ПЕРЕРОБКИ ВТОРИННИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ЗАСТОСУВАННЯ БЕТОННИХ ПІДЛОГ ПРОМИСЛОВИХ БУДІВЕЛЬ ТА ПАРКІНГІВ 1.1. Використання техногенної сировини та сировини з рециклінгу для отримання бетонів Відходи металургійної промисловості, що представлені шлаками, є цінною сировиною для отримання шлакопортландцементу та шлаколужних в’яжучих і бетонів. Шлаки можуть також використовуватися як тонкомелена гідравлічна добавка до бетонів (з метою скорочення витрати цементу), а також як дрібний та крупний заповнювач. Шлаколужні бетони одержують на основі тонкомеленого шлаку, активованого сполуками лужних металів (NaOH, КОН, Na2C03, К2СОз, Na20-mSi02-nH20). Як заповнювач використовують подрібнені гірські породи та відходи промисловості. Шлаколужні бетони класифікують за структурою, зерновим складом заповнювача, щільністю, складом цементу, а також умовами твердіння. За структурою розрізняють щільні, крупнопористі, поризовані та ніздрюваті бетони. За зерновим складом заповнювачі поділяють на дрібно- та крупнозернисті, а за густиною - на важкі та легкі. Важкі бетони належать до конструкційних. Легкі бетони за призначенням поділяють на конструкційні, конструкційно-теплоізоляційні та теплоізоляційні. Важкі шлаколужні бетони поділяють за міцністю при стиску на класи В10...В110, за морозостійкістю передбачені марки F200, F300, F400, F500, F600, F700, F 800, F900, F1000, за водонепроникністю - W4, W6, W10, W12, W14, W16, W18, W25, W30. Шлаколужні бетони використовують не тільки для загальнобудівельних робіт, але й як спеціальні бетони - високоміцні, швидкотверднучі, гідротехнічні, жаростійкі, кислотостійкі тощо. Особливо вони ефективні в умовах зведення будівель при від’ємних температурах, а також в умовах жаркого клімату, коли замість звичайної тепловологої обробки можна застосовувати геліотехнологію. Дрібнозернисті шлаколужні бетони отримують при використанні дрібних пісків та ґрунтів у вигляді супісків та легких суглинків, а також золошлакових сумішей, відсівів від подрібнення гірських порід. Пилуваті та глинисті частинки, що містяться в таких заповнювачах, активно взаємодіють зі сполуками лужних металів, сприяючи ущільненню структури бетону. 11 Мінімальна витрата шлаку становить 400 кг/м3, в той час як для важкого бетону -3 0 0 кг/м3. Міцність при стиску дрібнозернистих бетонів становить 60...120 МПа; морозостійкість Р500...Б800; водонепроникність - \ \ /'6...\\/12; початковий модуль пружності - (3,5...4,2)-104МПа, деформація усадки - (34...38)-10'5 мм/м. Шлаколужні бетони в своєму складі можуть містити також відходи енергетики - золу, кількість якої досягає 40...50% від маси шлаку. До використання придатна зола, що містить не більше 5% невипалених частинок палива і до 1% сірки та включень негашеного вапна. Лужні золошлакові бетони за міцністю при стиску поділяють на класи В10...В50. Взагалі, золу застосовують як тонкомелену пуцоланову добавку для зниження витрати цементу та підвищення сульфатостійкості і зменшення тепловиділення бетонів, що має особливе значення при монолітному бетонуванні та зведенні гідротехнічних споруд. Зола може бути цінною сировиною для виготовлення автоклавного ніздрюватого бетону, міцність якого становить 3...6 МПа при рт=600 кг/м , 5...10 МПа при рт=800кг/м3 та 12...24 МПа при рпЩІОО кг/м3. Шлаки та золи також ефективно використовують як сировину для отримання штучних пористих заповнювачів, в тому числі шлакової пемзи, зольного випаленого та невипаленого гравію, шлакового гравію, аглопориту. Відходи гірничорудної промисловості та переробки кам ’яних матеріалів можна розглядати як джерело розширення сировинної бази заповнювачів для бетону. Так, наприклад, щебінь із відходів сухої магнітної сепарації за своїми фізико-механічними властивостями не поступається, а в деяких випадках переважає гранітний щебінь. Марка щебеню за дробимістю становить Др8...Др12, за морозостійкістю - Р50...200; водопоглинання становить 0...1%, насипна густина щебеню - 1550... 1750 кг/мЗ , п•і ску- 1550...1600 кг/м з. Щебінь із відходів сухої магнітної сепарації залізистих кварцитів може бути використаний як заповнювач для бетонів, що призначені для виготовлення монолітних залізобетонних конструкцій, при влаштуванні баластного шару залізничних шляхів, автомобільних доріг, штучних основ для фундаментів та для засипок. Фракції щебеню 5... 10 та 10...20 мм використовують для одержання бетонів марок 150...400 при виготовленні армованих та неармованих конструкцій. Пісок використовується як дрібний заповнювач важких бетонів усіх марок, що призначені для виготовлення монолітних конструкцій і збірного 12 залізобетону для міського, промислового та сільськогосподарського будівництва. Відходи розпилювання та подрібнення каміння доцільно використовувати при виготовленні гідротехнічних бетонів. Наприклад, міцність при згині бетону, виготовленого з використанням карбонатного піску в 2...2,5 рази більше, ніж аналогічний показник бетону на кварцовому піску. Отримані бетони відрізняються також підвищеною сульфатостійкістю. Для виготовлення бетону також є придатним щебінь, отриманий подрібненням бою звичайної керамічної цегли, який можна віднести до категорії легкого заповнювача. На його основі одержують бетони з міцністю при стиску 10... 15 МПа і середньою густиною 1800...2000 кг/м3. Використання цегляного щебеню є ефективним для виготовлення крупнопористих бетонних о блоків середньою густиною до 1400 кг/м . Нині у світовій практиці підвищується інтерес до рециклінгу, тобто повторного використання бетону в будівельному виробництві. Значна кількість бетонного брухту утворюється під час розбирання споруд, плит тимчасових доріг, паль, при випробуванні конструкцій та накопичуванні некондиційних залізобетонних виробів, які виникають при заміні житлового фонду та у випадках стихійного лиха. Щорічний обсяг бетонного брухту постійно збільшується. Так, наприклад, в країнах ЄЕС щорічно руйнується біля 50 млн. т бетонних та залізобетонних конструкцій, в СІЛА - 60 млн. т, в Японії - 12 млн. т. Щебінь із подрібненого бетону використовують як звичайний будівельний матеріал, що пропонується для широкого застосування в різних галузях будівельного виробництва. Це дозволяє економити сировинні ресурси та поліпшити екологію довкілля. При одержанні щебеню з подрібненого бетону витрати палива у 8 разів менші, ніж при його видобутку у природних умовах, а собівартість бетону на вторинному щебені знижується на 25%. Найбільш перспективним є механічний метод активації щебеню із подрібненого бетону. При механічних методах активації передбачається самоподрібнення при перемішуванні щебеню у змішувачах або їхня обробка в кульових млинах з металевими кулями. Ефективність використання щебеню з подрібненого бетону зростає при застосуванні його замість заповнювача з природного кам’яного матеріалу при виробництві конструкцій зі збірного залізобетону безпосередньо на підприємстві, що здійснює переробку некондиційної продукції [3]. 13 Аналіз досвіду використання вторинних матеріалів в якості наповнювачів бетону Використання вторинних матеріалів в різних галузях будівельної промисловості має важливе значення для подальшого розвитку народного господарства як джерело його додаткових матеріальних ресурсів, фактор зниження питомих капітальних витрат і собівартості продукції, а також для прискорення темпів зростання виробництва. Знесення аварійного старого житла з поверховістю не більше дев'яти, побудованого за типовими проектами в період 1957-1968 рр., що вже використало термін своєї експлуатації та не є історичними пам’ятниками архітектури з передбаченим переселенням громадян в нові будинки при дотриманні прав мешканців та власників нежитлових приміщень надасть велику кількість вторинних матеріалів. За попередніми підрахунками програма реновації житлового фонду торкнеться понад 0,5 млн. м2 нерухомості. Відрізок часу з 1957 по 1968 рр. характеризується проектами будинків, так званими «хрущівками», розробленими після постанови «Про усунення надмірностей у проектуванні і будівництві». При реалізації даного рішення найбільш часто застосовувалася збірно-панельна і блокова технологія індустріального будівництва. У будівельному виробництві застосовувалися залізобетонні вироби високого заводського ступеня готовності, з наступним монтажем на будівельному майданчику. В ході реалізації програми реновації при здійсненні демонтажних робіт розглянутих будівель утворюється велика кількість будівельних відходів, основна частина яких складається з бою залізобетонних і бетонних виробів, а згідно [1] для реконструкції кварталів в даний час це актуально. Даний вид відходів є величезним резервом для будівельної індустрії. Основними операціями при переробці залізобетонних виробів є відділення сталевої арматури від бетону з її подальшою переплавкою і отримання вторинного щебню і відсіву з бетонного брухту, що піддається дробленню. Накопичено значний досвід в переробці і застосуванні даних видів відходів, проте обсяги реального застосування вторинних матеріалів з бетонного лома в невеликі. Проблема утилізації відходів промисловості і їх використання в якості сировини для виробництва будівельних матеріалів актуальна не тільки за кордоном, але в нашій країні. Це в першу чергу пов'язано з поліпшенням екологічної ситуації і скороченням території їх зберігання. У сучасному світі використання вторинних наповнювачів в якості заміни природним стало частою практикою, оскільки це дозволяє економити природні 14 ресурси, скорочує споживання енергії і зменшує кількість відходів, що відправляються на полігони [2]. В [3] розглядається проблема рециклінгу бетонного брухту для підвищення ефективності виробництва будівельних композиційних матеріалів з використанням техногенних відходів. Проведено аналіз екологічної обстановки регіону, досліджені продукти дроблення бетонного брухту як заповнювача і активного наповнювача для бетонів і розчинів. Вивчено зерновий (гранулометричний), мінеральний і хімічний склади вторинних матеріалів з відходів будівництва та знесення. Дослідження в області застосування вторинних наповнювачів на основі дробленого бетону тривають не тільки в нашій країні, а й за кордоном близько 70 років. Демонтажні відходи від знесення будівель вперше були використані в Німеччині після другої світової війни, але тільки недавно ця практика поширилася в усьому світі як перспективний спосіб утилізації. У післявоєнний період бетонний лом використовувався як крупний заповнювач із зруйнованих під час другої світової війни будівель і споруд. Вітчизняний дослідник П.І. Глужге проводив роботу в цій галузі, а в 1946 році показав, що бетон, виготовлений із застосуванням заповнювача з дробленого бетону, має велику міцність на розтяг при згині при однакових значеннях міцності на стиск в порівнянні з бетоном на природних заповнювачах. Так само в його роботах відзначаються більш низькі показники міцності бетону на стиск, знижена щільність заповнювачів з бетонного брухту в порівнянні з щільністю природних наповнювачів. В кінці шістдесятих років в Японії були проведені дослідження в області безвібраційних і безшумних методів знесення будівель з метою задоволення потреб перенаселених міських районів. Виниклий інтерес в області повторного використання бетону був пов'язаний з необхідністю поліпшення екологічної ситуації, отриманням дешевих матеріалів для нового будівництва, скороченням транспортних потоків, пов'язаних з поставками наповнювачів для бетону, збереженням природних ресурсів. Такий підхід в переробці відходів будівельної індустрії і використання в якості наповнювачів дробленого бетону дозволив значно обмежити споживання невідновлюваних природних ресурсів, мінімізувати відходи і пов'язані з ними викиди. Науково-дослідницька діяльність в напрямку отримання матеріалів з бетонного брухту активна велася в колишньому Радянському Союзі. У 1984 р на підставі дослідних робіт НДІЗБ і деяких окремих науково-виробничих підприємств розроблений ряд нормативних документів, в тому числі «Рекомендації по технології руйнування некондиційних бетонних і залізобетонних виробів механічним способом» і 15 «Рекомендації щодо застосування продуктів переробки некондиційних бетонних і залізобетонних виробів». Розглядається комплексне використання бетонного лому в цементних бетонах як вторинного щебеню замість природного і заміною портландцементу в'язким, отриманим з переробленого відходу дроблення. Наводяться дані про можливість отримання бетонів класу В40 і морозостійкістю й 200 з вторинного щебеню з маркою по подрібнюваністю М600. Отриманий бетон за своїми властивостями не поступається бетону на природному заповнювачі з маркою по подрібнюваністю М1200. Ще один спосіб приготування бетонної суміші з додаванням щебеню з дробленого бетонного брухту наведено в [4]. Він включає перемішування цементу і 75% води від загального її змісту до отримання однорідної суміші, додавання щебеню з дробленого бетонного брухту і піску з перемішуванням протягом 3-4 хв, додавання води, що залишилася і остаточне перемішування при наступному співвідношенні компонентів (% по масі ): цемент - 12-17, щебінь з дробленого бетонного брухту - 39-41, пісок - 35-39, вода - 8-9. Технічним результатом є підвищення коефіцієнта конструктивної якості - зниження щільності бетону при збереженні міцності і поліпшення екологічної ситуації. З 1980-х років в розвинутих країнах, особливо в Австралії, Західній Європі та Північній Америці, було досягнуто значного прогресу в розробці систем утилізації відходів. У поточному десятилітті, завдяки швидкому зростанні будівельної активності, Азіатсько-Тихоокеанський, Південноамериканський регіони продемонстрували себе як одні з найбільших виробників наповнювачів бетону. Тільки на Китай припадає половина всього попиту наповнювачів у всьому світі в період 2010-2015 років [5]. За даними Євростату в 2016 році в ЄС вироблено близько 374 мільйонів тонн будівельних відходів, з яких тільки 89% було піддано подальшому використанню [6]. За даними [7] тільки 35% будівельних відходів в Європейських країнах переробляється для виготовлення вторинних наповнювачів, ще 30% використовується в якості підсипки на кар'єрах цементних заводів. На малюнку 1.1 представлені дані світового споживання вторинних наповнювачів [5, 8]. Одними з провідних виробників, що працюють на світовому ринку вторинних наповнювачів, є НеісІеІЬещсетепІ А Є (Німеччина), 16 LafargeHolcim Ltd (Швейцарія), Delta Sand & Gravel (США), Aggregate Industries Management Inc (США), CEMEX (Мексика), Green Stone Materials ( США) [9] . Мал. 1.1 - Рівень світового виробництва вторинних наповнювачів [8]. 1 - Китай, 2- Центральна Африка, 3- Індія, 4- Австралія, 5 -Південна Європа, 6 - Південна Америка, 7 - Азіатсько тихоокеанський регіон, 8 - Ближній схід, 9 - Африка, 10 - країни СНД, 11 - Північна Європа. Незважаючи на те, що в Нідерландах і Німеччині спостерігається дуже високий рівень переробки бетонного брухту, кількість одержуваних в результаті цього наповнювачів з дробленого бетону недостатньо для задоволення попиту будівельної галузі, частка яких становить всього 10-15%. Однак в обох країнах за останні роки обсяг використаних вторинних наповнювачів у бетоні значно зріс. Згідно з даними [10], в Німеччині рівень переробки мінеральних будівельних відходів становив 89% в 2004 році і 91% в 2012 році, з яких тільки 11% припадає на вторинні наповнювачі з дробленого бетону в 2004 році і 12% в 2012 році. Аналогічна ситуація з переробкою будівельних відходів йде і в Нідерландах, обсяг застосування вторинних наповнювачів в бетоні в 2005 році склав 15%, в 2017 році - 16%. За даними [11], в Німеччині допускається використання не більше 45% вторинних наповнювачів від загальної кількості з розміром більше 2 мм для бетонів з максимальним класом міцності С30 / 37, в залежності від умов експлуатації та відповідно до ЕІЧІ 1992-1-1. Використання вторинних наповнювачів для попередньо напруженого бетону в Німеччині не допускається. У порівнянні з Німеччиною та Нідерландами, в Великобританії спостерігається відносно висока частка застосування вторинних наповнювачів. Так, в 2005 році їх частка склала 24%, в 2013 році - 29%. 17 У Великобританії допускається використання крупного заповнювача з дробленого бетону розміром більше 4 мм для бетонів з класом міцності С16/20 і часткою його змісту до 100%. Для бетонів з класом по міцності від С20/25 до С40/50 можливе застосування до 20% крупного заповнювача з дробленого бетону [12]. Для бетонів з класом по міцності до С40/50 можливе застосування до 100% крупного заповнювача з дробленого бетону, якщо бетон призначений для класів впливу Х0, з ХС1 по ХС4, ХБ1 і класу хімічної стійкості БС-1. У Швейцарії усі фракції, включаючи дрібнодисперсну фракцію 0-4 мм, можуть бути використані для виробництва вторинного бетону [13]. Бетон дроблять і просівають на фракції. Змішаний щебінь проходить дві стадії дроблення, при цьому фракції першого дроблення с розміром 0-8 або 0-16 зазвичай не використовуються для виробництва бетону, а більші фракції піддаються вторинному дробленню і надалі використовуються як наповнювачі. В Швейцарії частка вторинних наповнювачів складає 40-60% від загального обсягу наповнювачів. У Швейцарії бетон визначається як «рециклінговий», якщо в його складі, щонайменше, 25% від загальної кількості наповнювачів є вторинними. Визначено два види рециклінгових бетонів: - ЯС-С (С для бетону) з вмістом не менш як 25% вторинних наповнювачів з бетонних виробів (Яс) і не більше 5% вторинних наповнювачів з кам'яних виробів (ЯЬ); - ЯС-М (М для змішаних великих заповнювачів) з вмістом не менш як 25% вторинних наповнювачів (Яс + ЯЬ) і не менше 5% вторинних наповнювачів з продуктів кладки (ЯЬ). Ряд науково-технічних і дослідницьких організацій проводили аналіз, дослідження і систематизацію матеріалів з питання вторинного використання бетонного брухту 1.2 Аналіз перероблювального обладнання вторинних матеріалів для подальшого бетонування Після проведення демонтажних робіт переробка бетонного брухту може здійснюватися за трьома можливими варіантами [14]. Можна виділи в схемі організації виробництва і застосування вторинного заповнювача з бетонного брухту три способи переробки бетонного лому та сировини на його основі:^Транспортування бетонного лому з місця демонтажних робіт на завод по виробництву заповнювачів з доставкою отриманих заповнювачів на бетонний завод, (місить дві транспортні операції).2)Отримання заповнювачів з бетонного лому безпосередньо на місці демонтажних робіт. Отриманий заповнювач доставляється на бетонний завод або будівельний об’єкт. Містить 18 одну транспортну операцію. 3)Внутрішньозаводське переміщення. В місці робіт з демонтажу організовано виробництво вторинного заповнювача із дробленого бетону та бетонних сумішей на його основі. При здійсненні програми по реновації житлового фонду міста найбільш доцільним буде використання першого і другого способу переробки. На мал. 1.3 представлена блок-схема, що показує процеси переробки бетону в країнах Євросоюзу на основі матеріальних потоків на заводі з комплексної переробки бетонного брухту [15] з можливістю одночасного використання дробленого бетону в дорожньому будівництві і в якості вторинного заповнювача в бетонах. Спочатку проводяться ті ж самі процеси при переробці відходів, далі досягається стан (синя пунктирна лінія на мал. 1.2), при якому подрібнений бетон використовується без будь-яких технологічних операцій і знаходить подальше застосування в якості складової частини шарів покриттів в дорожньому будівництві (варіант А). У разі застосування переробленого бетону як заповнювача в бетонній суміші (варіант Б) передбачаються додаткові технологічні операції. І вибіркове знесення І І транспортування перероблюваного матеріалу на завод з переробки! юН § 0 І первинне дроблення за допомогою екскаватора з гідравлічним навісним обладнанням 1Я кі• І перероблення, що містить двостадійне 1 і дробління та класифікацію 39% бетонний лом (від 0 до 56 мм) 56% з якого розмір 0/22 додатково одноступеневе дробління і класифікація транспортування дробленого бетону до місця будівництва доріг, заміна природного заповнювача на і лом (від 0 до 56 вторинний, для шдетндяючого шару І 73% з якого розмір 0/22 земляного полотна Ж додаткова обробка транспортування на 28.5ХІ бетонний завод, ■и використання в якості заповнювача для бетона Мал. 1.2 - Блок-схема процесу переробки бетону на заводі з комплексної переробки бетонного брухту [15]. Сучасні підприємства з переробки залізобетонного і бетонного брухту застосовують в основному технологічне дробильно-сортувальне обладнання, що 19 використовується для виробництва природних нерудних матеріалів. У зв'язку з цим деякі вітчизняні та зарубіжні виробничі організації створили технологічне обладнання, яке призначене для переробки залізобетону. В цілому це стосується установок первинного дроблення, подальше подрібнення і просіювання здійснюється із застосуванням типового дробильно-сортувального обладнання. Отримання вторинного заповнювача зазвичай проводиться шляхом дроблення, просіювання і видалення забруднюючих домішок (арматура, папір, дерево, пластмаса і гіпс) з використанням магнітної сепарації, промиванням водою або сепарацією в повітряному потоці [16]. Первинне і вторинне дроблення здійснюється з використанням комплексу дробарок стискувальної і ударної дії: щокової і ударної. В процесі дроблення бетонного лому утворюється значна кількість відсіву з вихідного бетону. В якості установки первинного дроблення залізобетону так само може використовуватися навісне обладнання на гусеничну і колісну мобільну будівельну техніку. Типовим прикладом може служити продукція французької компанії «Arden Equipment», яка займається виробництвом різного навісного устаткування гідравлічного і механічного типу для руйнування залізобетону. Механічна дробарка для подрібнення бетону являє собою навісне обладнання, що має корпус із зносостійкої сталі, що забезпечує захист від механічних пошкоджень. Вона має кілька версій виконання з різними функціональними можливостями. Схема роботи цього пристрою заснована на подрібненні матеріалу за принципом ножиць. Версія механічної дробарки з закритими щелепами забезпечує подрібнення залізобетону на дрібні фракції 0-40 мм, а версія з відкритими щелепами забезпечує дроблення до фракцій 0-120 мм, очищення від арматури і підготовку до вторинного дроблення. Механічні дробарки для бетону компанії «Arden Equipment» приводяться в дію механічним ківшом екскаватора масою від 16 до 80 тонн, що дозволяє максимально використовувати його кінематику без гідроліній, забезпечуючи первинне дроблення залізобетону до розміру 0-150 мм. В якості стаціонарної установки первинного дроблення залізобетону викликає інтерес пресово-руйнівна машина МПР-1500 від ТОВ «НВП ОПК», що дозволяє первинно руйнувати шматки залізобетону з розміром до 12 м в довжину і до 1,5 в ширину з витяганням арматурних елементів. Продуктивність МПР-1500 о становить 20 м залізобетону в годину, загальна маса установки 34 тони, сила гідравлічного преса 1600 кН, потужність електродвигуна 32 кВт. Принцип дії обладнання заснований на подачі залізобетону на стіл машини і подальшому 20 подрібненні матеріалу шляхом впливу на нього робочого органу - брус-ножа з періодичним підняттям і опусканням. Далі подрібнений матеріал провалюється через колосникові грати, розташовані під столом, потрапляє на стрічковий транспортер і переміщається для подальшої переробки. Витягнуті арматурні каркаси видаляються зі столу і направляються для подальшої переробки. Для первинного дроблення можуть застосовуватися і типові дробарки, однак вони піддаються посиленому зносу і показують меншу продуктивність. Найбільшого поширення для дроблення залізобетону отримали щокові дробарки, принцип дії яких полягає в руйнуванні матеріалу роздавлюванням між двома плитами (щоками), одна з яких рухома, а інша нерухома. Крупність розмірів матеріалу, що подрібнюється, регулюється кінцевою відстанню між щоками. Застосування конусних, роторних і молоткових дробарок в якості первинного дроблення залізобетону не рекомендується. Після первинного дроблення необхідно видалення залишків металевих елементів і сторонніх домішок. Для видалення металу широко використовуються надконвеєрні магнітні сепаратори. Органічні домішки і сміття при русі по стрічковим транспортерам видаляються вручну. Подальше подрібнення шматків бетону здійснюється за технологічними схемами, аналогічними схемам для отримання природних наповнювачів. Рекомендується досвідченим шляхом підбирати такі агрегати вторинного дроблення, при яких забезпечується відділення розчинної частини від природного заповнювача бетонного брухту. Необхідно забезпечувати узгодженість технологічного обладнання первинного та вторинного дроблення. Для цього слід враховувати продуктивність установок вторинного дроблення, яка в середньому становить: для конусної дробарки - 30-50 т/год, молоткової - 50-80 т/год, валкової - 10-60 т/год. Для отримання кінцевої заданої крупності матеріалу після вторинного дроблення проводиться його просівання. Виробництво щебеню з дробленого бетону доцільно вести по замкнутому циклу просівання, тобто з виділенням і вторинним дробленням великих шматків, тим самим забезпечується зменшення розчинної складової на зернах вторинного щебеню, а також збільшується кубовидність зерен. Виробниками дробильно- сортувального обладнання є, наприклад, ТОВ Завод «ДСМ-груп», «ТОВ«Канмаш ДСО», ЗАТ«Дробмаш» і інш. 21 1.3 Аналіз способів отримання та підвищення ефективності адгезійної поверхні наповнювачів на основі бетонного брухту, отримання мікронаповнювачів Після проходження декількох етапів дроблення і класифікації великий вторинний заповнювач з бетонного брухту містить одне або кілька зерен природного крупного заповнювача, повністю або частково оточених шаром розчину або цементного тіста. Такий заповнювач по [17] позначається як тип І (мал. 1.3 (а, б)). Якщо заповнювач являє собою тільки розчин, то він являє собою заповнювач, що позначається по типу II (с), і складається з частинок природного дрібного заповнювача різних фракцій. Т ип І Тип II а) б) с) Мал. 1.3 - Класифікація заповнювачів за типами вторинного заповнювача: тип І, що містить одну або кілька частинок природного заповнювача, повністю або частково оточений шаром розчину (а) і (б); тип II, що містить розчин (с) [16]. На заводах з переробки бетонного брухту до сих пір не існує найбільш оптимальних способів видалення налиплого розчину і отримання наповнювачів з пониженим вмістом розчинної складової. У загальній масі такий заповнювач являє собою структуру першого і другого типів з різним співвідношенням один до одного. Вторинний заповнювач має відносно більш низьку щільність і високе водопоглинення, велику стиранність в порівнянні з природними наповнювачами, що робить його непридатним для застосування у великих обсягах в конструкційних бетонах. Останнім часом особлива увага приділяється пошуку ефективних способів зниження вмісту розчину у вторинному заповнювачі з урахуванням економічної доцільності. В основному довели свою ефективність напрямки: використання додаткових стадій дроблення, застосування термічної і кислотної активації, механічного тертя, мікрохвильового впливу і різних комбінацій цих методів [17]. При проведенні механічної активації застосовується механічний вплив, що виявляється у вигляді сили тертя або ударної дії для руйнування і відділення розчину від природного заповнювача, що входить до складу вторинного щебеню. Існує два найбільш часто вживаних механічних способу: активація з 22 використанням ротора з ексцентриковим валом і механічне дроблення [17]. Роторний апарат ексцентрикового валу містить зовнішній та внутрішній сталеві циліндри, які обертаються ексцентрично з високою швидкістю. При використанні ротора з ексцентриковим валом зміст розчину зменшується приблизно на 28%, з 47 до 34%, при обертанні валу зі швидкістю 200 і 300 оборотів відповідно з 40 до 64%. Вплив додаткових стадій дроблення було широко досліджено раніше. Встановлено, що такий спосіб дозволяє на 10 до 40% знизити вміст розчину в залежності від розміру вторинного заповнювача, міцності розчину і типу використовуваної дробарки. Метод механічної активації більш ефективний в порівнянні з термічним не тільки в застосуванні, але і в видаленні розчину з поверхні природного заповнювача. Представлені результати впливу гідродинамічно активованих мікродисперсних добавок на процеси гідратації, структуроутворення і твердіння цементу. Застосування кристалогідратів підвищує міцність як в ранні, так і в пізні терміни твердіння, сприяє зменшенню загальної пористості і формування щільної структури цементного каменю. З результатів, наведених в [18], очевидно, що механо активація дрібнозернистих бетонних сумішей (двохстадійне перемішування компонентів і полічастотне віброущільнення) дозволяє отримати на основі відсіву каменедробіння (без його збагачення та фракціонування) дрібнозернистий бетон з міцністю від 19,0 МПа (Ц: ОД = 1 : 4 ) до 35 МПа (Ц:ОД= 1:2). До недоліків методу механічної активації відноситься високе енергоспоживання і підвищене шумовиділення. Також недоліком є значне зниження виходу кінцевого продукту через руйнування значного обсягу вихідного природного заповнювача. Крім того, використання додаткових стадій дроблення в процесі переробки супроводжується значним підвищенням енерговитрат, що вимагає пошуку оптимального співвідношення між вартістю і якістю. Раніше в нашій країні проводилася термічна активація дрібної фракції дробленого бетону з обробкою при температурі 600-800°С. Для підвищення гідравлічної активності компонентів заповнювача і подальшим помелом відокремленого розчину до питомої поверхні• не менше 300м2 /кг. Відокремлений розчин надалі застосовувався як мікронаповнювач в бетонах і дозволяв до 40-60% знизити витрату цементу. В роботі [19] проводилася термічна активація бетонного брухту при температурі близько 700°С з його подальшим подрібненням в кульовому млині до тонкості помелу цементу. При такому способі активації і в залежності від 23 виду бетонного брухту може бути отримано в'яжуче з міцністю при стисканні від 10 МПа до 30 МПа. Однак, як показує сучасна практика, найбільш ефективним способом обробки є активація відсіву дроблення в сучасних помольних агрегатах. Для прискорення хімічних реакцій і ініціювання гідравлічної активності відсіву дроблення застосовується його механохімічна активація. Результатом механохімічної активації є отримання активного мікронаповнювача, що входить до складу композиційного в'яжучого. Під механохімічною активацією мається на увазі спільний помел відсіву з органічним модифікатором в млині, що представляє собою реактор. Теоретичною передумовою активації є утворення, переміщення та розмноження при високоінтенсивному руйнувальному впливі на тверде тіло різних дефектів структури. Паралельно відбувається проникнення молекул органічного модифікатора в мікротріщини, що супроводжується ефектом Ребіндера. Це полегшує руйнування матеріалу і сприяє модифікації знову утвореною поверхні з вмістом полімерних фрагментів модифікатора. Механохімічна активація тягне за собою підвищення хімічної активності речовини внаслідок накопичення енергії в структурних дефектах. Після припинення механічного впливу настає стабілізація структури твердого тіла, період релаксаційних процесів, що призводять до зменшення активності речовини. При цьому привівання полікарбоксилатних фрагментів до одержуваному мікронаповнювачу сприяє фіксації дефектів його структури. Активність мікронаповнювачів на основі бетонного брухту пояснюється наявністю залишкових піків основних фаз портландцементного клінкеру на діаграмах, які виявляються на підставі даних рентгенофазового аналізу. Наводяться дані про зміст фази аліта і твердих розчинів трьохкальцієвого силікату і алюмоферитів кальцію, що входять до складу проміжної речовини, які в невеликих кількостях, пройшовши механохімічну обробку, можуть проявляти гідравлічні властивості [20]. Процес отримання вторинних наповнювачів супроводжується утворенням значної кількості відсіву дроблення, зміст якого може досягати 40% від загального обсягу заповнювача і залежить від його структурних особливостей і міцності. Відомо, що відсівання дроблення щебеню з бетонного брухту можуть проявляти вторинні (залишкові) в'яжучі властивості, обумовлені змістом в них непрогідратованих частинок клінкерних мінералів, вміст яких може досягати 15-25%. При тонкому помелі відсіву проявляються слабкі вторинні в'яжучі властивості, а також утворюються гелевидні волокнисті гідросилікати кальцію 24 С-8-Н [20]. Представлені результати досліджень по заміні портландцементу вторинним в'яжучим на основі бетонного брухту, отриманого його спільним помелом з суперпластифікатором. Встановлено, що ефективність вторинного в'яжучого залежить від вихідного складу дробленого бетону. Показано, що заміна портландцементу на вторинне в'яжуче дозволило знизити витрату цементу на 20-40%. Для комплексної переробки бетонного брухту і використання його важливих властивостей рекомендується піддавати його активації. Отриманий при активації мікронаповнювач вважається частиною композиційного в'яжучого, що складається з цементу і мікронаповнювача. З цієї позиції необхідно розглядати посилення адгезійного контакту цемент мікронаповнювач. В [21] розглянуто спосіб приготування порошкоподібного наномодифікатора для бетонної суміші, що включає перемішування в змішувачі циклічної дії пластифікатора і мінерального компонента з наступним їх помелом в активаторі, що відрізняється тим, що в якості пластифікатора використовується гіперпластифікатор на основі полікарбоксилатів, в якості мінерального компонента суміш відсіву дроблення бетонного брухту і мікрокремнезема в співвідношенні 3:1 по масі. При приготуванні наномодифікатору пластифікатор і мінеральний компонент в кількостях відповідно 2-3 масових% і 97-98 масових% перемішують у змішувачі циклічної дії протягом 1-2 хв. Помел здійснюють у промисловому активаторі з вертикальною робочою камерою серії АКРК до отримання порошкоподібного наномодифікатора з розміром наночастинок менше 100 нм в кількості 5-7 масових %, пилоподібних частинок з розміром від 100 нм до 100 мкм 20-25% і частинок з розміром від 100 до 300 мкм. Контактні системи підрозділяються на рівноважні і нерівноважні. Рівноважні системи характеризуються тим, що хімічні потенціали елементів системи ідентичні, адгезійні зв'язки концентруються на атомах у поверхні окремої фази, при цьому виникає взаємонасичення вільних валентностей граничних атомів тіл без розриву міжатомних зв'язків в обсязі кожної фази. Нерівноважні системи характеризуються тим, що хімічна реакція протікає з неповним розривом міжатомних зв'язків в обсязі кожної фази, в загальному вигляді відбувається дифузійне проникнення однієї фази в іншу [22]. При виборі речовини і способу активації необхідно прагнути до створення нерівноважних контактних систем, що володіють великою адгезійною міцністю. Умовою виникнення міцних 25 адгезійних зв'язків в композиційному в'яжучому, що складається з цементу і наповнювача, є переважання поверхневої енергії наповнювача. Це випливає з термодинамічної адгезійної концепції, за умовами якої формування адгезійної міцності залежить від ставлення величин поверхневої енергії адгезиву і субстрату. Причому поверхнева енергія субстрату повинна перевищувати поверхневу енергію адгезиву. Поверхневий натяг є рівнозначним поняттям поверхневої енергії для рідин. Експериментальне визначення поверхневого натягу рідин не становить труднощів, в той же час як визначення поверхневої енергії твердих тіл можливо лише за непрямими методами: розрахунковими або вимірюванням окремих механічних з'єднань. Прикладом оцінки поверхневої енергії можуть служити методи свердління, дряпання, шліфування і т.і. Процес активації різних мінеральних наповнювачів призводить до зміни поверхневої енергії. Діапазон величин поверхневої енергії у різного роду матеріалів досить широкий: води - 0,072 Дж/м 2 (при нормальних умовах) і* алмазу - 1-2 Дж/м2 . Способи та шляхи активації матеріалів в істотній мірі слідують з рівняння Дюпре-Юнга, яке, до всього іншого, враховує вплив сорбції парів і ефекту структурування твердої поверхні: де робота адгезії; вільна енергія твердого тіла в атмосфері парів або газів [22]. \¥ ад=\Ут-\¥т-(т+со80), (1.1) де \¥ ад-робота адгезії, \\Ц-вільна енергія твердого тіла ав атмосфері парів і газів. Поверхнева енергія являє собою одну із складових частин повної енергії тіла, яка підсумовується з енергії коливання атомів, енергії руху частинок (атомів, молекул, електронів, іонів і т.д.), енергії потенційного контакту цих частинок, енергії ядра атома, електронних оболонок іонів і атомів, енергії електромагнітного випромінювання. За рівняння Гіббса-Гельмгольца, поверхнева питома вільна енергія встановлюється за формулою: 8-Т-а (1.2) де и - повна поверхнева енергія; 8-Т-о ТГ - теплота утворення одиниці поверхні. Питома поверхня для кристалічних тіл, в основному, пов'язана з міцністю решітки та навколишнього тіло середовища. Тому механохімічна обробка є ефективним способом збільшення поверхневої енергії, тобто активації наповнювачів. Поверхнева енергія збільшується, в основному, через розрив 26 міжатомних зв'язків. У деяких мінеральних матеріалів - вапняку, гіпсу, кварцу та ін. новоутворені поверхні мають особливий енергетичний стан, що пояснюється утворенням ненасичених валентних зв'язків. Прикладом може служити, подрібнення кварцу, так в результаті розриву зв'язку Бі - О на зернах виникають іони 8і4+, О2'. При цьому необхідно зазначити, що при подрібненні, підвищення його активності, що спостерігається, також пов'язане з його частковою аморфізацією поверхні з товщиною шару в 15-40 нм. Подрібнення матеріалів, крім збільшення поверхневої енергії, призводить до зростання ізобарного потенціалу, отже, і хімічної активності. У той же час слід брати до уваги швидке дезактивування подрібнених матеріалів на повітрі через компенсації зарядів і високої адсорбційної здатності. Так, наприклад, період існування радикалів в повітрі, утворених при механохімічній активації, О Г в становить всього 10' -10' с. Адсорбція наповнювачами вуглекислого газу і повітряних парів призводить не тільки до втрати активності порошку, а й істотно зменшує наступні адгезійні контакти з в'яжучим. Тому для підвищення ефективності механохімічну активацію рекомендується проводити спільно зі зв’язуючим. Крім механічного впливу на тіло для активації наповнювачів застосовуються методи впливу магнітних і електричних полів, ультразвуку, іонізуючого випромінювання. Наведені дані щодо підвищення активності золи і цементів шляхом гідродинамічного і кавітаційного впливу у водному середовищі безпосередньо перед приготуванням бетону. Спільна активація золи з цементом забезпечує більш високу гомогенізацію суміші, що призводить до значної економії витрат, підвищує міцність зразків з цементного каменю і бетону. Даний відхід має підвищену водопотребу, тому його застосування в цементних системах доцільно спільно з пластифікувальними добавками на основі нафталінформальдегідного і поліефіркарбоксилатного пластифікаторів. Використання шламу з суперпластифікатором знижує витрату в'яжучого на 7,5% без втрати міцності властивостей, знижує пористість цементного каменю і змінює фазовий склад новоутворень. У порівнянні з міцністю бетону зі звичайного цементу і золи, міцність з використанням активованих золоцементних сумішей у віці 3 діб підвищується на 200-230%, 7 діб - на 170- 180%, 28 діб - на 50-60%. Є досвід застосування великотоннажних промислових відходів в цементних системах на основі шламу, утвореного при гальванічному покритті виробів з алюмінієвих сплавів. Спільне використання такого шламу з суперпластифікатором на основі нафталінформальдегіду або поліефіркарбоксилата знижує його водопотребу в цементному тісті на 20-40%, 27 підвищуючи при цьому міцність цементного каменю в ранні терміни твердіння в 3 рази і в 2 рази в віці 28 діб. Можливість використання вторинних наповнювачів і скла для заміни природних наповнювачів до 30% з отриманням порожніх стінових легкобетоних блоків з міцністю 2,82 МПа. Отримано неавтоклавний газобетон з міцністю на стиск 1,4 МПа і середньою щільністю 600 кг/м3 на основі добавки пилоподібних базальтових відходів в якості мінерального мікронаповнювача з питомою поверхнею 346 м /кг, істинною О о • в ♦ в щільністю 2180 кг/м і переважним вмістом 8 і02 в кількості 68,35% по масі, а також волокнистих базальтових відходів у вигляді волокон товщиною 50-70 мкм, довжиною 4-6 мм. Введення волокнистих відходів до складу бетону сприяє зниженню усадочних деформацій у віці 180 діб на 31%. Процес отримання високоефективних будівельних матеріалів ставить перед дослідниками ряд завдань, в числі яких розробка складів, рецептур, технологічних режимів і багато інших. Математичні моделі дозволяють досить повно описати структуру композитного матеріалу, з огляду на закономірний характер розподілу структурних елементів в обсязі матеріалу, що обґрунтовує підхід до його вивчення з позицій теорій розмірності і топологічних просторів. У процесі видобутку корисних копалин утворюється значна кількість техногенних відходів. Процес виробництва наповнювачів неминуче пов'язаний з утворенням відсіву дроблення у вигляді піску і пилоподібних відходів. Наводяться дані про використання у виробництві самоущільнювальних бетонів заповнювача оптимізованого зернового складу і мікронаповнювача на основі відходів каменедробіння діабазу, гнейсу для отримання дрібнозернистих бетонів підвищеної тріщиностійкості. Ефективні методи обробки наповнювачів поверхнево-активними речовинами (ПАР). При обробці необхідно враховувати здатність ПАР до хемосорбційної взаємодії з поверхнею наповнювача. Для природних мінеральних наповнювачів основного характеру ефективними є аніонактивні типи ПАР, а кислотного - катіонактивні типи ПАР. Збільшення зчеплення наповнювача до зв’язуючого може бути підвищено за рахунок модифікації поверхні наповнювача за допомогою привівання різних активних функціональних груп. Даний спосіб активно застосовується при збільшенні адгезійної сили взаємодії полімерів і представляє інтерес і для неорганічних наповнювачів. Прикладом може служити модифікація поверхні кварцового піску, силікагелю в полімерних композиціях з огляду на їх властивість до реакційної взаємодії з силанами і силіконами. В результаті цієї реакції відбувається привівання органосилікатних груп до поверхні наповнювача. При 28 цьому з'являється можливість протікання хімічної реакції кремнезему з полімерним зв’язуючим. Використання даних модифікованих наповнювачів викликає різке поліпшення фізико-механічних властивостей органічних композитів [22]. В роботі [23] наведені дані про спосіб отримання розширювальної добавки на основі мікродісперсних кристалогідратів, отриманої при гідродинамічної активації сульфоалюмінатного клінкеру в роторно-пульсаційному апараті, при відношенні твердої речовини і води (Т/В), що дорівнює 1/3. Застосування мікродісперсної добавки кристалогідратів САК створює розширення цементного каменю навіть при мінімальних дозах добавки. Збільшення кількості введеної добавки до 5% призводить до максимального розширення і деякого зниження міцності показників. Ще одним з варіантів активації наповнювачів є створення шорсткості його поверхні. При збільшенні шорсткості поверхні наповнювача відбувається збільшення площі контакту і виникнення механічного «заклинювання» зв’язуючого. Адгезійна міцність в цьому випадку збільшується за рахунок поліпшення середовища змочування. Різну форму і рельєф частинок дає різне помольне обладнання. Так, наприклад, при подрібненні в вібромлині піску великими виходять зерна округлої форми, а дрібними - незграбною. При помелі в млинах кульового типу до розмірів частинок 0,5-0,6 мм переважно виходять округлі зерна. Подрібнення в дезінтеграторах дає утворення незграбних зерен піску. В роботі [24] показано, що застосування механоактивації сировинних сумішей для виробництва портландцементу гідродинамічними впливами приводить до значного прискорення процесів мінералоутворення при синтезі клінкерів і зміни їх мікроструктури і фазового складу. Крім шляхів активації для збільшення адгезійної взаємодії наповнювачів зі зв’язуючим, викликає інтерес і способи активації наповнювачів з метою підвищення епітаксіальної кристалізації в’яжучого. Встановлено, що наповнювачі в композиційних цементних в'яжучих є оптимальними підкладками для гідратних новоутворень. В цьому випадку двомірні гідратів зародки стійко фіксуються на поверхневому шарі наповнювача і інтенсифікують планомірне зростання структури в перпендикулярному напрямку поверхні частинок наповнювача. Кристалічні зародки новоутворень, які утворюються на частинках вихідного в'яжучого, при розчиненні змиваються водою і потрапляють у зважений стан, що сприяє формуванню випадкової, хаотичної структури цементного каменю [25]. Принцип термічної активації полягає у відмінності теплового розширення розчину і природного заповнювача, видалення якомога більшої кількості 29 розчину за рахунок теплових диференціальних напруг, що виникають у вторинному заповнювачі. Залежно від типу природного заповнювача і міцності розчину, частки вторинного заповнювача нагрівають до температури 300-600°С протягом 2 год для руйнування і відділення налиплого розчину [27, 28]. Коефіцієнт теплового розширення розчину в 2 рази перевищує коефіцієнт теплового розширення природного заповнювача. Через різких змін властивостей очікується розвиток значно більших теплових напружень, особливо в зоні міжфазного переходу між розчином і природним заповнювачем, що призводить до відшарування налиплого розчину в частинках вторинного заповнювача типу І. Після нагрівання зерна вторинного заповнювача ретельно просівають, відокремлюючи розчин. Також запропонований спосіб попереднього замочування вторинного заповнювача в воді протягом декількох хвилин, що сприяє підвищенню ефективності термічної активації. Крім того, рекомендується різке охолодження нагрітих заповнювачів в холодній воді після нагрівання, що сприяє збільшенню диференціальних теплових напружень [ЗО]. Основні стадії процесу термічної активації представлені на мал. 1.4. Встановлено, що звичайний нагрів до температури 300, 500 і 600° С знизив вміст розчину лише приблизно на 6,4% (з 47 до 44%), 12,8% (з 47 до 41%) і 19,1% (з 47 до 38%) відповідно. Спосіб термічної активації підходить для вторинного заповнювача, що містить природний заповнювач з міцністю, значно перевищує міцність налиплого розчину. К рч и и м й п г о р и и ш и і О п о р к д ж > » а л ь ш ш м н о в н ю в а ч і м е н ш в м р о їч я н в м іс т о м р о ччи н у Мал. 1.4 - Основні стадії термічної активації вторинного заповнювача [27]. До переваг цього способу відноситься простота у використанні обладнання. Недоліками є високе енергоспоживання, низька ефективність видалення зо розчину і тривала тривалість обробки, що робить його непридатним для великомасштабного промислового впровадження. Крім того, нагрів вторинного заповнювача до температури 600°С може негативно позначитися на якості природного заповнювача, що входить до складу вторинного заповнювача. В основі способу кислотної активації лежить здатність руйнування цементного каменю під впливом сильних кислот і зниження кількості розчину, присутнього на вторинному заповнювачі. Він полягає у витримці заповнювача протягом доби в слабких розчинах кислот, їх ретельної промивки, вторинного занурення в воду ще на 24 год. для видалення розчину (мал. 1.5), подальшого просіювання заповнювача і відділення від розчинної частини. В ідокрем лени й В иї р ам к а в с м х о г т із І>озч а в Г р о зо ч ін н я водою 24 годив» Мал. 1.5 - Основні стадії кислотної активації вторинного заповнювача [ЗО]. Найкращими показниками по швидкості видалення налиплого розчину в заповнювачі при цьому способі активації мають сірчана і соляна кислоти різних концентрацій. При цьому застосовуються відповідні ротаційні перемішуючі системи і вводяться додаткові операції промивки для видалення розчинного компоненту з вторинного заповнювача. Такий спосіб активації може розглядатися як ефективний. Однак використання сильних сірчаної та соляної кислот призводить до значного збільшення вмісту сульфатів і хлоридів в заповнювачі після обробки, що, в свою чергу, може привести до зниження міцності бетону. Крім проблем довговічності бетонів, цей спосіб є ще й більш трудомістким і тривалим, активація наповнювачів при якому триває більше 24 годин. У разі застосування термомеханічної активації для видалення розчину використовується комбінація теплових напружень, що виникають при обробці в інтервалі температурі 300-500°С протягом 2 год., і механічної напруги, що виникають при терті вторинного заповнювача [ЗО]. При такому способі 31 активації, званим також як «нагрівання і розтирання», вторинний заповнювач спочатку нагрівають у вертикальній печі, щоб знизити міцність цементного розчину, а потім направляють в трубчастий млин (мал. 1.6). У ньому нагрітий бетон піддається впливу тіл, що мелють, а відокремлена частина налиплого розчину, що проходить крізь діафрагму, вивантажується з млина. Відзначається, що даний метод значно підвищує якість вторинних наповнювачів, які в подальшому можуть відповідати стандарту JCI (Japan Concrete Institute) для високоякісних вторинних наповнювачів з бетонного брухту. Однак його не можна вважати оптимальним через високе споживання енергії при термічній обробці в печі і кульовому млині. У той же час всі ці недоліки можуть бути компенсовані утилізацією і зниженням екологічного впливу при вторинній переробці і подальшому застосуванні таких наповнювачів. Мал. 1.6- Основні стадії термомеханічної активації вторинного заповнювача [ЗО]. У табл. 1.1 представлені результати досліджень авторів [27, 28] по термомеханічній активації вторинного заповнювача. Такий спосіб активації дозволив знизити вміст налиплого розчину з обробкою при температурі 300 і 500°С протягом 2 год. приблизно на 34 і 55% відповідно. Таблиця 1.1 - Вплив термомеханічної обробки вторинного заповнювача на властивості заповнювача [27,28] Властивості вторинного заповнювача Вид заповнювача Температура сушки, Тривалість обробки,год Водопоглинання Насипна щільність, Вміст розчину,% за °С протягом 24 ч, % кг/м3 масою До обробки — 0 4,2 2370 47 Після термомех. 300 2,1 3,3 2430 31 обр. 500 2Д 2,1 2480 21 Хіміко-механічна активація застосовується як комбінований спосіб при заморожуванні і відтаванні заповнювача в розчині сульфату натрію і подальшої 32 механічної обробки [31]. Незважаючи на те, що цей спосіб є ефективним практично для повного видалення налиплого розчину, тривалість його досягає 7 днів, що робить цей спосіб непридатним для застосування у великих обсягах. Обробка великих партій вторинних наповнювачів і тривалий цикл їх заморожування і відтавання, необхідний для видалення налиплого розчину, роблять цей спосіб досить трудомістким і енергоємним. Тому він розглядається як метод для визначення вмісту налиплого розчину вторинного заповнювача, а не як промисловий метод активації. Проводилася термічна активація бетонного брухту при температурі близько 700°С з його подальшим подрібненням в кульовому млині до тонкості помелу цементу. При такому способі активації і в залежності від виду бетонного брухту, може бути отримано в'яжуче з міцністю при стисканні від 10 МПа до 30 МПа. При мікрохвильовій обробці заповнювач попередньо насичується водою, а далі піддається обробці в мікрохвильовій промисловій печі з потужністю 10 кВт протягом 1 хв, а потім занурюється у воду з температурою 25 0 С для його подальшого охолодження (мал. 1.7). Такий спосіб активації призводить до зниження вмісту налиплого розчину майже на 48% при попередньому насиченні водою вторинного заповнювача [17]. До числа переваг відносяться значно менший час обробки, відсутність ризиків зниження довговічності бетону і відносно низьке енергоспоживання в порівнянні з механічними, тепловими та термомеханічними методами. Крім того, при мікрохвильовій активації, присутній в оброблюваному вторинному заповнювачі природний заповнювач, нагрівається протягом кілька хвилин при значно нижчих температурах, ніж при термічній активації, що в даному випадку не може привести до пошкодження природного заповнювача, що входить в його склад. Мал. 1.7 - Установка для мікрохвильової активації вторинного заповнювача потужністю 10 кВт, де: а) блок мікрохвильового генератора; б) камера мікрохвильової обробки вторинного заповнювача [17] 33 1.4 Основні властивості бетонів на основі вторинних матеріалів Первинними продуктами дроблення бетонного лому є щебінь різних фракцій (в залежності від встановлених на гуркоті сит) і відсів дроблення. Фракційний склад крупного заповнювача і відсіву дроблення, а також форма зерен, залежить від технології дроблення і відповідної установки. Відмінною особливістю наповнювачів з дробленого бетону від природного походження є присутність розчину, налиплого на зернах початкового щебеню, кількість якого в різних фракціях щебеню варіюється в широких межах, залежить від розміру заповнювача і значно впливає на кінцеві властивості бетону на його основі [21, 29, 32]. Присутність розчинного компонента на зернах щебеню істотно погіршує його основні властивості: значно збільшує його водопоглинення, дробильність, стираність, зменшує морозостійкість. Численні дослідження, які проведені провідними зарубіжними і вітчизняними вченими [32], встановили, що вміст налиплого розчину в заповнювачі може досягати 36-39% і залежить від водоцементного відношення. Причому зміст розчину тим більше, чим менше фракція заповнювача. Наприклад, зміст розчину може досягати до 50% у фракції розміром до 0-3 мм, в той час у крупного заповнювача цей показник знаходиться в межах 20-26%. Встановлено, що вторинний щебінь фракції 10-20 мм і 20-40 мм містить однакову кількість розчину, яка відповідає його змісту в вихідному бетоні. Зі зменшенням розміру вторинного заповнювача до 5-10 мм кількість розчинної складової може збільшуватися до 75%. Властивості вторинних наповнювачів значно поступаються природним, мають на 10% нижчу щільність, більш високу пористість і високе водопоглинення, яке коливається в широких межах від 2,2 до 9% для великого вторинного заповнювача і від 5,5 до 13% для дрібного, мають на 70% меншу стійкість до стирання. Ці властивості вторинних наповнювачів впливають на властивості бетону. Разом з тим щебінь з бетонного брухту містить контактну зону між вихідною гірською породою і розчином, що є найбільш слабким і високопористим елементом в структурі бетону. У роботах А.Д. Бака і В.М. Малхотри, а також провідних зарубіжних дослідників минулого століття в області наповнювачів на основі бетонного брухту, наводяться дані про дослідження властивостей бетонів і вплив вторинного заповнювача на їх міцність. У деяких роботах показано зниження міцності на стиск у бетонів з використанням вторинного заповнювача. Показана можливість досягнення високих показників міцності в порівнянні з вихідною міцністю дробленого бетону, необхідність застосування водоредукуючих добавок з одночасним 34 збільшенням вмісту цементу. Наводяться дані про однакову міцность бетону на стиск з 30% вмістом вторинного заповнювача в суміші з природним заповнювачем і бетону з застосуванням природних наповнювачів. Показана економічна ефективність виробництва бетонів з підвищеною витратою цементу на 10% і використанням вторинних наповнювачів, вартість якого вдвічі менше, ніж бетонів на природних заповнювачах. Відзначається, що повна заміна природного крупного заповнювача на щебінь з дробленого бетону при виготовленні на більш низькому водоцементному відношенні в порівнянні з бетоном на традиційних заповнювачах, сприяє підвищенню його міцності. Однак при рівнозначних водоцементних відношеннях показники міцності бетонів з використанням заповнювача з дробленого бетону поступаються традиційним. У роботах А. Марі, М. Барра, Е. Васкес і ін. встановлено, що введення щебеню з дробленого бетону в кількості 25% сприяє отриманню бетонів із середньою міцністю при стисканні, що дорівнює 30-45 МПа з однаковою витратою цементу і рівному водоцементному відношенні, що і звичайний бетон. Найважливішим деформативним властивостям бетону при його короткочасному навантаженні є модуль пружності, який обумовлюється складом бетону, тобто кількістю цементу, істинним водоцементним відношенням, модулем пружності наповнювачів, співвідношенням між великим і дрібним заповнювачем (г), пористістю структури і т.інш. Б.А. Крилов і O.A. Липей досліджували модуль пружності бетону на заповнювачах з дробленого бетону. Встановлено, що щебінь з дробленого бетону має більш низький модуль пружності в порівнянні з заповнювачем, отриманим з природних кам'яних матеріалів. Виявлено, що введення щебеню з дробленого бетону зменшує модуль пружності бетону пропорційно його кількості [28]. Відзначено, що бетони на вторинних заповнювачах, отриманих при дробленні бетону, мають різні величини зниження модуля пружності. Так вторинний щебінь, який отриманий при дробленні бетону на гранітному щебені, зменшує модуль пружності при В/Ц 0,4 і 0,55 відповідно на 6 і 9%. При цьому вторинний щебінь з важкого бетону на вапняковому щебені при В/Ц рівному 0,4 знижує модуль пружності бетону більше 20%. Додаткове застосування не тільки щебеню з дробленого бетону, але і відсіву дроблення як дрібний заповнювач призводить до зниження модуля пружності бетону на 9-16% [28, 33]. Деформації усадки бетонів на вторинних заповнювачах перевищують значення бетонів аналогічних складів на природних заповнювачах. Робиться висновок 35 про негативний вплив на усадку бетону зниженого модуля пружності вторинних наповнювачів, а також наявності розчинної складової на щебені з дробленого бетону. Усадка бетону на кварцовому піску і щебені з дробленого бетону на 14- 28% вище, ніж у бетону на природних заповнювачах. При цьому порівняно велика усадка спостерігається у бетону на вторинному щебені, отриманого при дробленні бетону на вапняковому заповнювачі, а менша на гранітному. Застосування при виготовленні бетону дрібних і великих заповнювачів з дробленого бетону збільшує усадочні деформації вторинного бетону в 1,6 1,8 рази в порівнянні з бетонами на природних заповнювачах [29]. Одним з непрямих показників довговічності бетону є морозостійкість. Як показують результати досліджень, проведені в НДІЗБ, морозостійкість вторинного заповнювача знаходиться на низькому рівні, що пояснюється вільним доступом води в контактну зону між вихідним щебенем і розчинною частиною, однак морозостійкість бетону, виготовленого на даному заповнювачі, залишилася високою. Випробування на морозостійкість бетонів, як на природному, так і на крупному заповнювачі з дробленого бетону показали, що бетонні зразки, витримавши 200 циклів заморожування і відтаювання, не мали помітних ознак руйнування. При цьому відмінність видів вторинних великих заповнювачів - подрібнений бетон на гранітному щебені і на вапняковому щебені - не вплинуло на показники морозостійкості. Суперечливі результати досліджень морозостійкості бетонів на вторинних заповнювачах показують зарубіжні вчені. В роботі П.Д. Ніксона відзначається, що морозостійкість бетону на вторинних заповнювачах з дробленого бетону порівнянна з морозостійкістю складів бетону на природних заповнювачах. Бетон на подрібненому твердому заповнювачі мав значно кращий опір по змінному замерзанню і відтаюванні, ніж бетон на вихідному твердому гравії. Різниця в результатах досліджень морозостійкості бетонів на вторинних заповнювачах вказує на необхідність подальшого вивчення впливу змінного заморожування і відтаювання на міцність зчеплення зерен вторинного заповнювача з розчинної складової бетону [32]. Найбільш перспективним є застосування продуктів дроблення бетонного лому в технології самоущільнювального бетону (СУБ). Принципи підбору складу СУБ побудовані на великому вмісті пилоподібної і тонкої фракції, при обмеженні кількості і максимальним розміром зерен крупного заповнювача. Також для досягнення високих параметрів плинності рекомендується використання гіперпластифікатора полікарбоксилатного типу [33]. Дія полікарбоксилатного гіперпластифікатора що базується на сукупності електростатичного та 36 просторового ефекту, який досягається за допомогою бічних гідрофобних поліефірних ланцюгів молекули полікарбоксилатного ефіру [20]. За рахунок цього тривалість пластифікувальної дії полікарбоксилатів в 3-4 рази більше в порівнянні з сульфомеланіновими, сульфонафталіновими формальдегідами або лігносульфонатами. Зазначена здатність дозволяє не тільки підвищити рухливість бетону в ранні терміни, але і зберігати її протягом більшого періоду часу, що позитивно позначається на термінах транспортування бетонних сумішей з заводів до місць будівництва [34]. При цьому водоредукуючий ефект гіперпластифікатора досягає 25-40%. Є досвід застосування поліфункціональних добавок в цементних бетонах, що сприяють підвищенню експлуатаційних властивостей бетону. Полі функціональна добавка, що включає суперпластифікатор прискорювача твердіння, що складається з содосульфатної суміші і нітриту натрію, сприяє підвищенню міцності не тільки в початкові терміни твердіння, але наступні. Введення комплексної добавки дозволяє не тільки скоротити період раннього структуроутворення цементних систем, але і сприяє зміні його структури. Встановлено, що введення полі функціональної добавки прискорює твердіння цементного бетону в першу добу на 219%, що обумовлено зниженням водоцементного відношення і збільшенням частки моногідросульфоалюміната кальцію і еттрінгіта в утвореному цементному камені. З огляду на те, що кількість крупного заповнювача у обсязі СУБ не перевищує 35%, міцність крупного заповнювача не робить ключового впливу на підсумкову міцність бетону, а його завдання зводиться лише до збільшення розподілу площі навантаження на розчинну частину. Найбільш слабким елементом системи в даному випадку є контактна зона цементного каменю з заповнювачем. Оскільки структура вторинного щебеню з бетонного брухту відрізняється підвищеною пористістю через налиплого розчину бетону, експериментальні дослідження за допомогою світлової та електронної мікроскопії, а також методу вимірювання мікротвердості показали, що існує добре зчеплення цементного каменю з пористим заповнювачем, причому контактний шар відрізняється за складом і будовою від основних компонентів [36]. Виходячи з цього можна зробити висновок про доцільність застосування щебеню з вторинного бетону як крупного заповнювача для СУБ. При цьому для досягнення високих реологічних параметрів і отримання структури бетону з «плаваючим» заповнювачем раціонально застосовувати щебінь фр. 5-10 мм. Для здійснення високої плинності і досягнення самоущільнення, а також для запобігання розшарування, самоущільнювальні бетонні суміші повинні володіти 37 певною в'язкістю. З цією метою застосовуються високодисперсні мінеральні наповнювачі. Дані наповнювачі активно беруть участь у формуванні структури бетону. їх прийнято ділити на активні і пасивні. Введені в бетон активні мінеральні добавки взаємодіють з гідратом окису кальцію, який виділяється при гідратації портландцементу при звичайних умовах, утворюючи стійкі з'єднання [35]. Частина мінеральних добавок в присутності активатора, наприклад, мелені доменні шлаки, виявляють приховані гідравлічні властивості і здатні самостійно твердіти. Зерновий склад, який визначає питому поверхню і, відповідно, реакційну здатність робить основний вплив на властивості мінеральних добавок. Інертні мінеральні добавки, наприклад, мелений кварцовий пісок, не вступає в реакцію з компонентами портландцементу при звичайних умовах, але ці добавки можуть проявляти реакційну здатність (наприклад, при автоклавній обробці). Основне призначення цих добавок зменшення пустотності твердої фази бетону: заповнювач - цемент - мікронаповнювач, з метою управління властивостями бетонної суміші та бетону [37]. Викликають інтерес сучасні дослідження зарубіжних авторів з вивчення продуктів дроблення бетонного брухту і використання їх в якості сировини для самоущільнювального бетону. Особливість структури вторинного заповнювача впливає на властивості самоущільнювального бетону і викликає зниження міцності на стиск і модуля пружності в зв'язку з високим водопоглинанням заповнювача, що може бути компенсовано або шляхом введення додаткової кількості води замішування, що приводить до зниження міцності, або введенням суперпластифікаторів. Присутність на зернах початкового заповнювача налиплого цементного розчину, кількість якого залежить від технології отримання на стадіях дроблення, є характерною особливістю структури вторинних наповнювачів. Дроблення в режимі, при якому руйнується більшою мірою цементний камінь, що послабляє його структуру, дозволяє поліпшити властивості вторинного щебеню, що досягається або застосуванням спеціального обладнання (віброщокових, конусних інерційних дробарок), або дробленням більш ніж в одну стадію в звичайних щокових дробарках з максимальним заповненням робочого простору апарату. У другому випадку бетонний брухт дробиться за рахунок безпосередньої взаємодії з подрібнювальним матеріалом, а не за рахунок ударів об рухому щоку. У свою чергу налиплий розчин являє собою пористий матеріал, і містить велику кількість дефектів. Його пористість залежить від водоцементного відношення вихідного бетону. Висока пористість суттєво впливає на водопоглинання щебеню з дробленого бетону. Високе 38 водопоглинання вторинного заповнювача значно впливає на поведінку свіжоукладеної бетонної суміші, оскільки він, маючи пористу структуру, поглинає значну кількість води замішування. Для усунення цього недоліку спочатку був запропонований метод використовувати вторинний заповнювач з бетонного брухту в насиченому і поверхнево-сухому стані. У дослідженнях багатьох авторів відзначається високе водопоглинення вторинного дрібного заповнювача в порівнянні з природними, яке може становити 6,3%, 8,5% і 13,1% [38] і робити істотний вплив на властивості одержуваного бетону. Кількість налиплого розчину і якість вихідного бетону істотно впливають на властивості одержуваного бетону. Збільшення вмісту вторинного заповнювача і водоцементного відношення призводить до зниження міцності бетону, причому вплив дрібного заповнювача відображається в більшій мірі в порівнянні з крупним вторинним заповнювачем [38]. Застосовуються різні способи обробки поверховості вторинних наповнювачів різними матеріалами, які проявили свою ефективність і доцільність для підвищення загальної міцності бетону. Раніше був успішний досвід застосування попередньої обробки наповнювачів гідрофобізувальними складами в бетонозмішувальних установках з використанням СНО, ГКЖ-10, ГКЖ-11, ДКА, ГПД. [34] Недавні дослідження по попередній обробці вуглекислим газом сприяли значному поліпшенню властивостей вторинного заповнювача і підвищенню довговічності бетону [38]. В роботі [39] вивчався вплив поверхневої обробки наповнювачів для застосування в СУБ, що містить 100% вторинного крупного заповнювача. Використовувалися наступні методи: - І спосіб обробки (HCL): вторинний заповнювач занурювали в розчин соляної кислоти протягом 24 годин при 20°С, а потім в дистильовану воду (для видалення розчину кислоти); - II спосіб обробки (рідке скло (WG)): вторинний заповнювач занурювали в силікат натрію на 30 хвилин, потім витримували в розчині протягом 10 хвилин (для видалення надлишку силікату натрію) і, нарешті, витримували в печі протягом 1 години (для запобігання їх конгломерації); - III спосіб обробки (TSM): цемент, вода і зола-винесення були попередньо змішані протягом 1 хвилини, вторинний заповнювач був доданий і змішаний з цими компонентами протягом 1 додаткової хвилини, і, нарешті, інші матеріали суміші СУБ були додані і змішані протягом ще 2 хвилин; - IV спосіб обробки (CSF): вторинний заповнювач занурювався в водну суспензію цементу і мікрокремнезему на ЗО хвилин і після цього його розкладали над широкими сітками на 24 години, і далі після остаточно він занурювався в воду на 28 днів. В результаті проведених 39 досліджень по попередній обробці поверхні заповнювача було встановлено позитивний вплив на технологічні властивості бетонних сумішей наповнювачів, які пройшли обробку соляною кислотою. Зміст старого налиплого розчину в такому заповнювачі було мінімальним, що пояснюється видаленням розчину при обробці і зниженням водопоглинення. Також встановлено, що обробка заповнювача силікатом натрію сприяє зниженню часу закінчення бетонної суміші, що пояснюється низьким водопоглиненням, а також гладкою поверхнею заповнювача в результаті обробки. Встановлено ефективність усіх методів обробки вторинного заповнювача, особливо при обробці в водній суспензії цементу і мікрокремнезема, що дозволило підвищити характеристики міцності на стиск в порівнянні з необробленим заповнювачем (мал.1.8). Найбільша міцність (28 і 90 діб) спостерігається у складів з заповнювачем, який пройшов попередню обробку по III способу, що пов'язано з обволіканням новим шаром цементного тіста поверхні. Способи обробки заповнювача Мал. 1.8 - Міцність бетону на стиск з заповнювачем, які пройшли попередню обробку в віці 28 і 90 діб [39]. Застосування вторинного дрібного заповнювача в звичайному, не самоущільнювальному бетоні, не є широко поширеним. Такий заповнювач робить негативний вплив на міцність, що залежить від змісту заповнювача. Відзначається, що міцність бетонів з вмістом 25% і 100% дрібний заповнювач знижується на 15% і 30% відповідно по відношенню до контрольного складу. Однак введення дрібного заповнювача з бетонного брухту до 30% не впливає на 40 показники міцності. Дослідження по визначенню довговічності бетонів на вторинних заповнювачах Лімбачіі встановили зниження стійкості до карбонізації, яка підвищується зі збільшенням вмісту вторинного заповнювача і залежить від якості бетону, а саме від змісту цементу, водоцементного відношення, пористості і вологості. Відзначається зниження стійкості до карбонізації СУБ з вмістом вторинного заповнювача в кількості 100% на 58%, а питомий електричний опір знижується майже на 48% в порівнянні з контрольним бетоном. Неоднорідність структури і складу заповнювача з дробленого бетону при його використанні у виробництві бетону призводить до збільшення коефіцієнта варіації міцності на стиск. В. Корінальдесі і X. Окамура вивчали самоущільнювальний бетон зі 100% включенням вторинного заповнювача, змінюючи В/Ц співвідношення і вміст золи-винесення, мікрокремнезема і карбонатного мікронаповнювача. Встановлено, що в складах СУБ з мікрокремнеземом спостерігається менший діаметр розпливу зворотного конуса в порівнянні з іншими мікронаповнювачами. Сафіуддін [40] проводили роботу по дослідженню впливу щебеню з дробленого бетону на технологічні параметри самоущільнювального бетону. У раціонально підібраному складі СУБ частина природного крупного заповнювача замінювалася щебенем з дробленого бетону. Встановлено, що невелика кількість щебеню з дробленого бетону (30 і 40%) в суміші з природним крупним заповнювачем веде до збільшення розпливання зворотного конуса. При більш високих співвідношеннях (70% і 100%) відбувається різке зменшення діаметра розпливання. Одночасно з цим в'язкість бетонної суміші, яка характеризується часом витікання через калібровану воронку, при зазначених співвідношеннях наповнювачів збільшується. Дані тенденції пояснюються тим, що при перемішуванні компонентів бетонної суміші відбувається руйнування вторинного щебеню і зміщення співвідношень в сторону дрібних фракцій, до того ж відбувається втрата вільної води замішування через велике водопоглинання наповнювачів. Дані досліджень представлені на мал. 1.9. а) б)\ 41 700 ч 675 ЬР2 1 550 щ. ■ш— Діаметр ролі л иву, мм 525 У52 500 2.0 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0. І0 20 40 60 Ш 80 90 100 Вміст вторичного заповнювача, % Вміст вторичного заповнювача, % а) б) Мал. 1.9 - Діаметр розпливання зворотного конуса (а) і час закінчення (б) СУБ при різних змістах щебеню з дробленого бетону [40] П. Перейра-де- Олівейра і співавтори встановили, що середня щільність самоущільнювального бетону зменшується в міру збільшення кількості щебеню з дробленого бетону в суміші заповнювачів незалежно від віку твердіння. Колектив дослідників на чолі з М. Туяном за результатами своїх досліджень по заміні природного карбонатного крупного заповнювача на щебінь з дробленого бетону, встановили, що це призводить до зменшення обсягу мікропор в бетоні, особливо в області контактної зони. Дрібнозернистий бетон на композиційному в'яжучому з використанням техногенного матеріалу за характеристиками перевершує властивості прототипу, що свідчить про додаткові процеси мінералоутворення (кристалізація новоутворень - гідросилікатів і гідроалюмінатів кальцію). Такий бетон має мінімальну пористість, високу щільність і морозостійкість. 1.5. Сучасні монолітні підлоги промислових будівель та паркінгів. Підлоги промислових будівель є огороджувальною частиною будівлі, яка піддається різним впливам: - механічним - рух пішоходів і безрейкових транспортних засобів; впливів при перекочуванні бочок, барабанів, коліс і т.п.; ударі при виробничих процесах, монтажі і ремонті устаткування, волочіння твердих предметів з гострими кутами і ребрами; зосереджені навантаження; - тепловим - вплив від гарячих предметів, рідин і нагрітого повітря на рівні підлоги; - рідинним - вода, масла, розчинники, кислоти і луги різної концентрації. У цих умовах підлога повинна забезпечувати нормальний хід технологічного процесу без руйнувань, а також створювати сприятливі санітарно-гігієнічні умови роботи [42]. До експлуатаційних вимог можна 42 віднести вимоги, представлені в СНиП 2.03.13-88 «Підлоги. Актуалізована редакція (зі Зміною № 1)», в яких допускається можливість швидкого і зручного ремонту з можливістю його легкого і швидкого очищення. Підлога - це конструкція, що складається з шарів різного функціонального призначення. Верхній елемент підлоги, який безпосередньо піддається експлуатаційним впливам, називається покриттям. За конструктивним рішенням і методам виконання покриття підрозділяються на суцільні (або монолітні), з штучних матеріалів і з рулонних або листових матеріалів [42]. Розрізняють наступні технології монолітних підлог на основі бетонів і розчинів: 1. Підлоги з цементобетонним покриттям; 2. Підлоги з бетонним покриттям із зміцненим верхнім шаром; 3. Підлоги з мозаїчно-бетонним покриттям; 4. Підлоги з покриттям із жаростійкого бетону; 5. Підлоги з асфальтобетонним покриттям; 6. Підлоги з полівінілацетатцементобетонним або латекс-цементобетонним покриттям; 7. Підлоги з покриттям з полімер-піщаних розчинів. На промислових підприємствах різного призначення обсяг робіт із влаштування підлог в сучасних масштабах будівництва промислових підприємств оцінюється декількома мільйонами квадратних метрів, причому значна частина припадає на частку цементно-бетонної підлоги в складських приміщеннях і спеціальних спорудах. Відносно невеликий обсяг вони займають в культурно-побутовому та житловому будівництві. В процесі експлуатації підлоги в промислових, житлових і громадських будівлях, а також в інженерних спорудах відчувають складний комплекс механічних, хімічних, температурних та інших впливів. Технологічний процес в цехах протікає в основному безпосередньо на підлозі, на якому розташовується велика частина устаткування, відбувається рух безрейкових транспортних засобів, а також здійснюється пішохідний рух, виробляються вивантаження і вантаження сировини, напівфабрикатів і готових виробів, а також їх складання. Поряд з механічними діями, підлога піддається і іншим впливам технологічного процесу. У цих умовах підлога повинна забезпечувати нормальний хід технологічного процесу і протистояти впливу високої температури, рідинним впливам, впливу масел, всякого роду хімічно агресивних рідин і т. інш. А також створювати сприятливі санітарно-гігієнічні умови роботи. Стійкість підлог, яка визначається в першу чергу міцністю їх верхнього шару - покриття, в значній 43 мірі буде залежати від правильного вибору матеріалів для окремих елементів підлоги і прийнятої технологічної послідовності виконання робіт. Показано, що підвищення тріщиностійкості бетонів досягається за рахунок застосування в якості в'яжучого суміші портландцементу і сульфоалюмоферитового клінкеру з утворенням алюмінату і залозистого еттрінгіта, що підвищують властивості міцності бетону в нормальних умовах твердіння, а також при термічній і вологій обробці бетону. Широке поширення цементно-бетонної підлоги пояснюється їх довговічністю. Виготовлення цих підлог нескладно і не вимагає дефіцитних матеріалів. Бетонні покриття підлог широко застосовують в будівлях промислового призначення. Залежно від вибору матеріалів, використовуваних для приготування бетонної суміші, такі покриття можуть володіти достатньою стійкістю проти значних механічних впливів; бути стійкими проти багатьох кислот різних концентрацій; витримувати дію значних температур, що знаходяться в межах 400-800°С; не утворювати іскор при падінні на них твердих тіл. Бетонні покриття не бояться впливів на них масел, бензину і т. п. У той же час такі покриття є нестійкими проти дії таких речовин, як розчинів цукру, спирту та ін. Хімічні впливи на бетонні покриття цілком залежать від характеру агресивного середовища. Зазвичай розрізняють вплив кислот, сольових розчинів, лугів і органічних розчинників. Сильні і слабкі кислоти, як правило, викликають корозію бетонних покриттів за рахунок руйнування цементного каменю. Луги майже не руйнують бетонні покриття, руйнуванню піддається трьохкальцієвий алюмінат, кількість якого в цементі повинна бути обмежена. Сольові розчини можуть бути кислі, лужні і нейтральні. Кислі розчини солей викликають корозію бетонних покриттів, аналогічно кислотам. Лужні і нейтральні сольові розчини і органічні розчинники майже не руйнують цементобетонних покриттів. Для підвищення стійкості до хімічних і інших впливів рекомендується застосовувати покриття з дуже щільних бетонів, що готуються з хімічно стійких компонентів. Температурний вплив променистого тепла або гарячих предметів можуть викликати внутрішні напруги або руйнування бетонних покриттів. В цьому випадку рекомендується виготовляти бетонні покриття з жаростійких бетонів на портландцементі або на спеціальному цементі. За своїми основними властивостями бетонні покриття можуть бути звичайними, виготовленими з бетону на цементному в’яжучому; кислотостійкими з кислотоупорного бетону, приготовленого на рідкому склі зі щебенем з кислотостійких порід каменю і пилоподібним наповнювачем, що забезпечує необхідну підвищену щільність бетону; жаротривкими з 44 жаротривкого бетону, що готується на портландцементному в’яжучому, алюмінатному цементі і силикатному в'яжучому; безіскровими (вибухобезпечним), що не утворюють іскор при ударах і падінні сталевих і кам'яних предметів. Монолітні підлоги складаються з ущільненої основи, бетонного підстильного шару товщиною не менше 12 см і високоміцного бетонного покриття товщиною в кілька сантиметрів [43]. Міцність бетонного покриття, його стійкість в різних умовах експлуатації, визначаються, головним чином, властивостями матеріалів, використовуваних для приготування бетонних сумішей. При приготуванні бетону повинні бути застосовані портландцемент і щільні лугостійкі наповнювачі (вапняк, доломіт, мармур та ін.). Щільність бетону досягається підбором гранулометричного складу наповнювачів, малим водоцементним відношенням і посиленим ущільненням бетонної суміші. Бетон для пристрою вибухобезпечних покриттів готують на щебені з таких порід природного каменю, як вапняк, мармур, доломіт і ін., що не утворюють іскор при ударах сталевими і кам'яними предметами. Для кислотостійких покриттів застосовується щебінь з кислотостійких кам'яних матеріалів - андезиту, бештауніта, діабазу і граніту. Для цієї ж мети може застосовуватися щебінь з штучних кислототривких матеріалів, таких як, наприклад, відходи кислотостійкої кераміки, клінкерної цегли та ін. Бетонні покриття краще зберігаються на підприємствах з лужною агресією, ніж на підприємствах з кислотною агресією. Луги мало руйнують продукти гідратації і гідролізу портландцементу, тому високоосновні цементи мають підвищену лугостійкість. З чотирьох клінкерних мінералів портландцементу три мають лугостійкість - це С3Б, С2Б, С4АБ; тільки один мінерал С3А не є лугостійким, тому зміст його в цементі повинна бути обмежена. Не рекомендується в лужних середовищах застосовувати малоосновні цементи (пуцолановий, шлаковий, глиноземистий і ін.) [43]. Для лугостійких покриттів використовується щебінь з вапняку, доломіту, діабазу, граніту або інших лугостійких порід каменю, а також з основних доменних шлаків, в яких відношення процентного вмісту окису кальцію і окису магнію до кількості містяться в шлаку глинозему і кремнезему більше одиниці. Для жаротривкого бетону, використовуваного при влаштуванні покриттів, що піддаються в процесі експлуатації дії високих температур, застосовується щебінь з гірських порід з високим вмістом польових шпатів і деяких інших кремнеземистих мінералів, до яких відносяться діабаз або базальт. Діабаз і базальт відрізняються великою щільністю, хімічною стійкістю і високою механічною міцністю. Головним же чином для приготування 45 жаротривкого бетону при влаштуванні покриттів підлог використовується щебінь, одержуваний подрібненням таких штучних матеріалів, як шамотний бій (цегли, або виробів будь-яких марок вогнетривкості), або металургійний шлак від виплавки феротитану. Цементобетонні підлоги повинні виконуватися з недорогих і легкодоступних матеріалів. Підлоги повинні бути простої конструкції, мати необхідну міцність і довговічність. Цементобетонні підлоги повинні мати відносно невисоку вартість будівництва і ремонту і мінімальні витрати в процесі експлуатації при значній довговічності. При економічній оцінці цементно-бетонної підлоги необхідно враховувати не тільки їх початкову вартість, але і відносну вартість експлуатації підлог. До спеціальних вимог, що пред'являються до промислових підлог, можна віднести вимоги по неприпустимість іскріння цементно-бетонного покриття при зіткненні з металом на підприємствах з легкозаймистою рідиною. Іскріння може бути усунуто шляхом покриття бетонної поверхні полімерною плівкою, наприклад з епоксидної смоли. При вимогах до діелектричності цементно-бетонного покриття для цехів з високою вологістю при роботі з електрообладнанням при напрузі 110 В і більше необхідно покривати бетонну поверхню полімерними складами. До поліпшених бетонних покриттів підлог підвищуються вимоги до комфорту, економіці, експлуатаційним показникам, до створення сприятливих умов праці. Бетонні покриття для підлог промислових будівель зазвичай виконуються з бетонів підвищеної зносостійкості. Вони застосовуються давно, широко поширені завдяки суттєвим перевагам перед іншими видами покриттів, володіють високими технічними властивостями при експлуатації, економічно ефективні та прості у виготовленні. Для поліпшення властивостей бетонних покриттів набули поширення такі прийоми додаткової обробки бетонних підлог: внесення в поверхневий шар покриття наповнювачів підвищеної твердості; просочення поверхневого покриття ущільнювальними складами (флюатування, силікатизація і ін.); нанесення захисного шару на поверхню бетону (лаки, емалі і синтетичні смоли). Ці прийоми поліпшення бетонних покриттів застосовуються в різних поєднаннях, як для монолітних підлог, так і для підлог з малорозмірних і великорозмірних бетонних плит. Монолітні підлоги трудомісткі, мають відносно високу міцність і невисоку вартість. Тому їх широко застосовують в приміщеннях з вологим виробничим режимом або при високих вимогах до підвищеної зносостійкості покриттів. Декоративність і зовнішній вигляд підлоги в кожному окремому випадку визначається особливістю виробництва, характером будівлі і освітленістю приміщення. 46 Бетонні підлоги влаштовуються в промислових цехах і приміщеннях, де потрібна підвищена міцність покриття, водостійкість і довговічність, а також стійкість до стирання, в тих випадках, коли підлоги призначені для важких експлуатаційних умов роботи. Бетонні покриття можна виконувати по підстильному шару з бетону, міжповерхових перекриттів або по укладеному з ним гідроізоляційному шару. Для збільшення міцності бетонної підлоги і зменшення стирання в особливих випадках, за спеціальними вимогами до бетону можуть бути додані маловитираємі наповнювачі: металева тирса, абразивні матеріали у вигляді карборунд а, корунду і ін. Безшовні покриття підлог з цементних бетонів які є конструкціями великої протяжності. Для зменшення усадочних або термічних тріщин на бетонній поверхні підлоги поверхня бетонного покриття розділяється на частини. Після укладання бетонного покриття необхідно створити нормальний вологісний режим тверднення, який повинен підтримуватися до придбання бетоном проектної міцності. Після закінчення твердіння, змочена водою бетонна поверхня підлоги, шліфується для поліпшення якості бетонного покриття, на відміну від цементного розчину або каміню. Для зниження усадочних напруг монолітних підлог промислових будівель, підвищення їх тріщиностійкості, водонепроникності і зносостійкості, стійкості до агресивних і ударних впливів застосовуються розширювальні добавки, які забезпечують отримання безусадочних бетонів або бетонів з компенсованою усадкою, що дозволяють значно знизити трудомісткість влаштування підлог. Розширювальні добавки вводять або в млин при виробництві цементу, або в бетонозмішувач безпосередньо при приготуванні бетонної суміші, використовуючи в якості в'яжучого портландцемент загальнобудівельного призначення. Розширення цементного каменю пов'язано зі збільшенням обсягу твердої фази, що утворюється при гідратації трьохсульфатної форми гідросульфоалюміната кальцію ЗСаОА12Оз-ЗСа804 -32Н20, викликається тією її частиною, нездатною розміститися в поровому просторі гідрату вальної структури. Найбільш розповсюдженим різновидом розширювальних цементів в нашій країні став напружувальний цемент (НЦ) [44]. Існують різні точки зору на природу його розширення. На думку В.В. Михайлова, на першій стадії твердіння НЦ при обмеженій кількості вологи в системі дуже швидко утворюється низькосульфатна форма гідросульфоалюміната кальцію ЗСа0А120з-Са804- 12Н20, яка в подальшому в результаті обводнення системи при вологих умовах тверднення або в воді переходить в високосульфатну форму ЗСаОА120 3- 47 ЗСа804-31Н20 , викликаючи розширення цементного каменю. При такій перекристалізації обсяг, що приймає участь в цьому процесі твердої фази збільшується в півтора рази. На думку Г.М. Сіверцева, основою розширення НЦ є динамічний процес антагоністичної взаємодії сольватних оболонок колоїдних частинок глиноземистого і портландцементного компонентів, що входять до складу НЦ. Процес кристалізації гідросульфоалюміната кальцію при цьому істотного значення не має. І.В. Кравченко пояснює розширення цементного каменю зростанням кристалів гідратних новоутворень в певний період розвитку кристалізованої структури твердіючого НЦ. Цей процес має місце і в звичайних цементах, але відрізняється інтенсивністю і часом протікання. П.П. Будніков, Б.Г. Скрамтаєв, Е.З. Юдовіч та інші дослідники в'яжучих вважають, що в основі розширення сульфатизованих розширювальних цементів лежить утворення трьох-сульфатної форми гідросульфоалюміната кальцію по реакції в твердій фазі внаслідок хімічного диспергування. Ця точка зору поділяється також багатьма зарубіжними дослідниками (Лосьє, Ляфюма і ін.). А.Е. Шейкин вважає, що на початку процесу гідратації зерна клінкеру утворюють пересичений розчин і, взаємодіючи з гіпсом, перетворюються в гідросульфоалюмінат, утримуваний в безпосередній близькості від зерна цементу. Збільшення обсягу цементного каменю пояснюється виникненням і розвитком осмотичного тиску внаслідок утворення напівпроникних плівок навколо гідратувальних цементних зерен. Показано, що проектування і застосування бетонних сумішей з розширювальними добавками і комплексом хімічних добавок сприяє зниженню ризику деформації конструкцій, утворенню тріщин в процесі виготовлення безшовних монолітних конструкцій великої протяжності. Введення в склади хімічних модифікаторів сприяє оптимізації мікроструктури цементного каменю і підвищенню експлуатаційних і фізико- механічних характеристик. Бетонні покриття є надійними підлогами навіть у виробничих приміщеннях з важкими експлуатаційними режимами (хімічне, нафтохімічне, фармакологічне і т.інше. виробництво), але іноді спостерігається їх руйнування в основному з наступних причин: а) для приготування бетону були застосовані наповнювачі недостатньої міцності або містять велику кількість пилоподібних частинок; б) бетонна суміш мала велику рухливість, ніж це було рекомендовано; в) водо-цементне відношення фактично було більше допустимого; г) товщина бетонного покриття була обрана недостатньою, що викликало місцеві руйнування і деформації; д) зчеплення бетонного покриття з підстилаючим шаром було порушено, і це різко знизило міцність бетонної 48 підлоги. Свіжоукладений бетон необхідно оберігати від висихання для запобігання погіршення якості поверхні і структури бетону. Найбільш простим способом запобігання бетонного покриття від втрати вологи і забезпечення нормальних умов твердіння цементних матеріалів є нанесення захисних плівок на його поверхню. Склади можуть бути як плівкоутворювальними, так і проникаючими. Традиційні бетонні покриття підлог погано задовольняють вимогам сучасних промислових підприємств. Дослідження щодо поліпшення бетонних покриттів проводяться в підвищенні зносостійкості бетонних покриттів за рахунок поліпшення властивостей цементних бетонів, шляхом поліпшення якості матеріалів для бетонів і застосування прогресивної технології влаштування підлог; застосуванням додаткової обробки по ущільненню поверхні бетонного покриття шляхом використання захисних складів просоченням поверхні підлоги або нанесенням захисних покриттів на основі синтетичних смол; введенням полімерних добавок до складу бетону, що поліпшують деформативні і властивості міцності бетонних покриттів, шляхом додавання синтетичних смол і інших речовин. Полімерні матеріали, такі як латекси, полівінілацетатна смола, покращують також і інші властивості бетонних підлог, зокрема підвищують зчеплення з підставою і опір зносу. Полімерцементні бетони отримали широке поширення в промисловому будівництві для влаштування підлог [45]. Вибору наповнювачів для бетонних підлог надається велике значення, при цьому враховується їх твердість, опір зносу і щільність. Найбільш часто застосовують наповнювачі з кварцового порфіру, кварцу, граніту, базальту [45]. Іноді застосовують наповнювачі з абразивних матеріалів (наждак, карборунд і ін.). Абразивні наповнювачі здебільшого застосовуються у вигляді посипань на поверхню бетонного покриття з подальшим ущільненням. Заповнювачі з металу застосовуються для бетонних підлог, які перебувають під динамічним навантаженням від важких транспортних засобів. Металеві наповнювачі виготовляються з пористого чавуну або м'якої сталі, під дією ударів вони деформуються, але не руйнуються. Заповнювачі з металургійних шлаків мають підвищену зносостійкість і в'язкість, зокрема, успішно застосовуються для бетонних покриттів наповнювачі з мідних шлаків. Зазвичай використовується для бетонних покриттів портландцемент, в складі якого не повинно бути добавок шлаку і золи, але рекомендується добавка меленої залізної руди з істинною щільністю о . . не менше 4,8 г/см (магнітний залізняк). Добавка магнітного залізняку в кількості 20-25% всього цементу підвищує зносостійкість бетонних покриттів 49 [46]. Останнім часом найбільші успіхи досягнуті в розробці полімерних складів для поверхневих покриттів бетонних підлог. Товсті захисні покриття з полімерних матеріалів мають самостійне значення і застосовуються замість покриттів із звичайного бетону. За характером застосовуваних в'яжучих матеріалів покриття можуть бути двох видів: полімерцементні і полімерні. У поточний момент часу кількість покриттів на полімерному в'яжучому переважає над полімерцементним. Висновки за розділом 1 Проведено аналіз наукових, патентних, технічних і нормативних джерел. Також проаналізована література по будівельному матеріалознавству, теоретичним і експериментальним дослідженням з переробки бетонного і залізобетонного брухту, створення наномодифікаторів, проектуванню складів самоущільнювальних бетонних сумішей, застосуванню компенсаторів усадки в бетонних сумішах, технології виготовлення підлог промислових будівель та паркінгів. Досліджені питання отримання ефективних безусадочних самоущільнювальних бетонів для підлог промислових будівель та паркінгів на матеріалах з вторинного бетонного брухту, які мають високу міцність, стійкість до ударним і витиральним впливам. 50 РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЗАСТОСОВНІ БАЗОВІ ТА ВТОРИННІ МАТЕРІАЛИ 2Л Характеристики вихідних матеріалів Якість вихідних матеріалів оцінювалося відповідно до чинних нормативно-технічних документів та паспортами якості на ці матеріали. 2.1.1 Портландцемент У роботі використовувався портландцемент ЦЕМІ 42,5Б, відповідний ДСТУ «Цементи загальнобудівельні. Технічні умови», з нормальною густотою цементного тіста - 26,5%, початком схоплювання - 185 хв., кінцем схоплювання - 245 хв., рівномірністю зміни обсягу (розширенням) - 0,2 мм, міцністю на стиск у віці 28 діб - 51,4 МПа. Мінералогічний склад клінкеру наведено в табл. 2.1, хімічний склад ЦЕМ І 42,5Б наведено в табл. 2.2. Таблиця 2.1 - Мінералогічний склад клінкеру В м іс т м ін е р а л ів , % Сч8 С28 СгА СдАБ 62,4 17,56 5,49 14,55 Таблиця 2.2 - Хімічний склад клінкеру Вміст компонентів, % ппп 8Ю2 А 120 з Ре20з СаО 8 0 3 М йО К20 Ха20 Я20 0,21 21,65 4,73 4,36 65,47 0,4 1,27 0,84 0,26 0,81 Питома поверхня портландцементу ЦЕМ І 42,5Б визначалася на приладі ПСХ-4, яка склала 3445 см2/г. Гранулометричний склад цементу ЦЕМ І 42,5Б, певний методом лазерної дифракції , наведено в табл. 2.3. Графік інтегрального і диференціального розподілу часток портландцементу за розмірами представлений на мал. 2.1. Таблиця 2.3 - Гранулометричний склад цементу Максимальний розмір Середній розмір часток Вміст часток часток (698), мкм (сі50), мкм менше 2 мкм,% 87,010 19,994 9,62 51 портландцементу по розмірам. 2.1.2 Пісок. В роботі застосовувався пісок з вмістом пилоподібних і глинистих частинок - 0,9%, істинною щільністю - 2,64 г /смЗ , вмі• стом шкі•дливих компонентів і домішок в перерахунку на 80з - від 0,1 до 0,3%, слюди 0,6-1,5%. Зерновий склад піску представлений в табл. 2.4, крива просіювання приведена на мал. 2.2, хімічний склад - в табл. 2.5 0 0,16 0,3*15 0,63 1,25 2,5 Повні залишки,% Розмір комірки сита, мм Мал. 2.2 - Крива просіювання піску 52 Таблиця 2.4 - Зерновий склад піску Розмір осередку сита, 1 0 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0 мм Часткові залишки,% 0 0 , 2 2,9 5,0 13,6 36,4 36,3 5,6 Повні залишки,% 2,9 7,9 21,5 57,9 94,2 1 0 0 Модуль крупності піску: 1,8 («дрібний») Таблиця 2.5 - Хімічний склад піску Мансуровського кар'єра г~іміст компонентів,% S i0 2 АІ2 О3 БегОз ТЮ 2 СаО MgO SO3 К20 Na20 п.п.п 75,08 6,75 1,48 0,12 8,97 0,91 0,14 0,13 0,25 6,17 2.1.3 Хімічні добавки та вода В якості хімічних добавок застосовувалися: - суперпластифікатор Sika ViscoCrete Е55, компанії «Sika» (Німеччина), що представляє собою ефективну суперпластіфікувальну і суперводоредукувальну добавку на основі водної композиції модифікованих полікарбоксилатних ефірів, що володіють стабілізуючим ефектом, призначену для виробництва високоякісних бетонних сумішей і отримання бетонів з високими експлуатаційними характеристиками. Основні технічні характеристики суперпластифікатора представлені в табл. 2.6; Таблиця 2.6 - Технічні характеристики Sika ViscoCrete Е55 № Х арактеристики О диниці виміру Ф актичні значення 1 Зовніш ній вигляд - світло-коричнева о рідина 2 Г устина г/см 1,08 (при 20°С) 3 П оказник рН - 4,0-6,0 4 Реком ендоване виробником % 0,3-1,6 дозування від маси в'яж учого - добавка МеШих 558Щ компанії ВА8Е (Німеччина), що представляє собою сухий суперпластифікатор на основі полікарбоксилатних ефірів і складається з правильних сополімерів. Основні технічні характеристики МеШих 5581И представлені в табл. 2.7. Таблиця 2.7 - Технічні характеристики Melflux 558IF № Х арактеристики О диниці виміру Ф актичні значення 1 Зовніш ній вигляд - порош ок жовтого о кольору 2 Н асипна густина кг/м 500 3 Реакція - pH 20% розчину - 6,5-8,5 1 = 20°С 4 Реком ендоване виробником % 0, 05-0,5 дозування від маси в'яж учого 53 Для замішування бетонних сумішей застосовувалася водопровідна вода, що відповідає вимогам ДСТУ «Вода для бетонів і розчинів. Технічні умови". 2.1.4 Бетонний лом В роботі застосовувався бетонний лом, що утворився при демонтажі внутрішньої стінової панелі 9ВС1 житлового будинку серії 1605АМ/5, введеного в експлуатацію в 1961 р, що розташовувався в мікрорайоні Кунцево і потрапив під програму реновації (мал. 2.3 ). Мал. 2.3 - Будинок, що зноситься. Проектування даної серії будинків здійснювалося інститутом Гіпробудіндустрія. Одношарова внутрішня стінна панель 9ВС1 мала початкові геометричні розміри 5,6x2,7x0,14 м, виготовлялася з важкого бетону марки МЗОО. Як дрібний заповнювач застосовувався природний пісок середньої крупності. Як крупний заповнювач застосовувався вапняковий щебінь фр.5-20 мм. Вихідний матеріал був залізобетонний бій із середнім розміром шматків 500- 1000 мм (мал. 2.4). Мал. 2.4 - Елементи внутрішньої стінової панелі 9ВС1, піддані переробці. Елементи панелі розбивалися і очищалися від арматури за допомогою перфоратора і ручного молотка на шматки 40-50 мм, дробилися в циліндрі для випробувань щебеню / гравію на дробильність 0І5О мм на гідравлічному пресі МаІеБІ С055 при навантаженні 200 кН. Далі отриману сировину вручну просівають через набір сит: 15, 12,5, 10, 7,5 5, 2,5 мм, а потім формувалася фракція щебеню 5-10 мм і відсів дроблення, тобто частинки розміром менше 5 54 мм (мал. 2.5). Зерна, що залишилися на ситі 15 мм, відправлялися на додаткове дроблення. Мал. 2.5 - Формування фр.5-10 з дробленого бетону Формування фракції здійснювалося, виходячи з вимог по гранулометричному складу . Фактичні значення зернового складу представлені в табл. 2.8 і на мал. 2 . 6 . Таблиця 2.8 - Гранулометричний склад отриманого щебеню з бетонного брухту фр. 5-10 мм Найменування Залишки на ситах,% по масі залишків 12,5 10 7,5 5 2,5 Часткові 0,4 4,7 41,6 47 4,9 Повні 0,4 5,1 46,7 93,7 98,6 Мал. 2.6 - Крива просіювання щебеню з бетонного брухту фр.5-10 мм. Гомогенізація суміші 5-10 мм здійснювалася шляхом ретельного ручного змішування окремих складових фракцій. Фізико-механічні характеристики отриманого щебеню представлені в табл. 2.9. 55 Таблиця 2.9 - Фізико-механічні характеристики отриманого щебеню фр. 5-10 мм з дробленого бетону Х арактеристики О диниці виміру Ф актичні значення М іцність м арка 400 В міст пилоподібних частинок % 0,8 Зміст зерен м іцністю м енш е 20 М П а % 9,6 В міст зерен пластинчастої (лещ адної) і % 22,3 голчастої форми В одопоглинання (по масі) % 3,8 забрудню вальні дом іш ки неорганічного група І походж ення Таблиця 2.10 - Гранулометричний склад відсіву дроблення бетонного брухту Найменування Залишки на ситах, % по масі залишків 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 Часткові 25,1 15,5 19,1 21,5 13,3 Повні 25,1 40,6 59,7 81,2 94,5 2.2 Аналіз методики дослідження та застосовного обладнання Визначення розподілу розміру часток проводили методом лазерної дифракції згідно ІБО 13320-1: 2009 «Аналіз розміру частинок. Методи лазерної дифракції». Суть методу полягає у використанні фізичного принципу дифракції електромагнітних хвиль для визначення розподілу розмірів частинок. Світло паралельного лазерного променя заломлюється при проходженні через частку і відхиляється на фіксовані кути, які залежать від діаметра і оптичних властивостей частинок. Лінзи, які сходяться в одній точці фокусують розсіяне світло в кільці на центральній панелі, де детектор вимірює спектр Фур'є (розподіл світлової енергії). Розподіл розміру частинок обчислюється відповідно до теорії Фраунгофера або Майя за допомогою комплексу математичних методів [47]. Визначення фазового складу зразків проводили на порошковому рентгенівському дифрактометрі АКТ ХЧга. Метод базується на дифракції рентгенівського випромінювання при відображенні його від плоских сіток кристалічних структур. Фіксація і реєстрація інформації здійснюється на дифрактрометрі АЛЬ ХЧга (виробництво Швейцарія). Визначення кутового положення лінії спектра (інтерференційного максимуму) визначається за допомогою гоніометра по закону Вульфа-Брегга. Оптична схема дифрактрометра відповідає оптичній схемі Брегга-Брентано. Дифрактрометр 56 складається з напівпровідникового або сцинтиляційного детектора, гоніометра, трубки рентгенівської, електронного блоку і системи обробки і управління даних. Конструктивно АЙК ХЧга виконаний у вигляді окремих модулів, які всередині корпусу пов'язані між собою і управляються від персонального комп'ютера [34]. Зовнішній вигляд дифрактрометра представлений на мал. 2.7. Мал. 2.7 - Порошковий рентгенівський дифрактометр ARL X'tra Для фазового аналізу застосовували базу даних ICDD. Дана база даних містить рентгенограми чистих фаз, при цьому постійно оновлюється, доповнюється і редагується. Загальна кількість активних рентгенограм налічує понад 30000. Аналіз інформації проводився як в ручному режимі за методом Ханавальта, так і в напівавтоматичному із застосуванням програмного забезпечення Oxford Crystallographica Search Match. Кількісний рентгенофазовий аналіз проводився із застосуванням програмного забезпечення Siroquant 3 Sietronics Pty Ltd. При цьому для всіх фаз уточнювалися параметри шкального фактора, параметри фону (поліном 5-го ступеня Чебишева), зміщення нуля лічильника приладу, параметри елементарної комірки. При уточненні варіювали профільні параметри по функції Pearson VII (U, V, W залежність Кальотті). Аналіз змісту аморфної фази в зразках виконували методом порівняння площ гало і рефлексів кристалічних фаз за формулою 2.1: о С _ С extra _ •-’ halo _ ° bckg '-’ bckg ^ 9 — с і с — ~с с ex tra ’ °h a lo ' •-’r e f to t '-’bckg ( 2 1 ) де Vg - об'ємна частка аморфної фази; Sbskg - площа під кривою фону в межах інтегрування; Sbskgextra -площа під кривою фону з екстраполяцією ділянки під гало (пряма - найкраще наближення до загальної дотичної); Stot - загальна площа під теоретичною рентгенограмою (за результатами уточнення) [48]. Приклад розбиття ділянки і вибору меж інтегрування наведено на мал. 2.8. 57 1000 500 З 13 23 33 43 53 Мал. 2.8 - Приклад розбиття площ для розрахунку частки аморфної фази в зразках. Хімічний склад зразків визначався на рентгенофлуоресцентному спектрометрі ARL Optim'X. Рентгенофлуоресцентний аналіз базується на фіксації і подальшому аналізі спектра, який отримано при рентгенівському опроміненні досліджуваного матеріалу. При цьому атоми переходять в збуджений стан, який супроводжується міграцією електронів на нові, більш високі енергетичні рівні. Робота спектрометра і обробка даних здійснюється за допомогою програми OXSAS. Застосовували безперервне цифрове сканування при автоматичній ідентифікації піків. Прилад включає в себе мультіхроматор, гоніометр, 2 фіксованих каналу. Рентгенівське збудження здійснюється охолоджувальною трубкою потужністю 50 Вт з родієвим анодом і торцевим тонкоплівковим берилієвим вікном (0,075 мм). Вимірювання оптичних спектрів виробляли на Фур'є-спектрометрі Vertex 70 виробництва фірми «Bruker Optik GmbH» (ФРН) з використанням приставки НПВО Glady ATR фірми «Pike Technologies (США). Фур'є-спектрометр Vertex 70 призначений для вимірювання оптичних спектрів пропускання, відбиття в далекому, середньому, ближньому 14 діапазонах, а також у видимій і ультрафіолетовій областях електромагнітного спектра, визначення концентрації різних речовин у твердій, рідкій і газоподібній фазах досліджуваних зразків. Управління процесом вимірювання здійснюється від внутрішнього контролера і зовнішнього комп'ютера за допомогою програмного комплексу OPUS. Програмний комплекс OPUS - це пакет програм, призначених для найбільш повного використання всіх можливостей Фур'є-спектрометрів [46]. Для визначення тонкості помелу порошків застосовували прилад, призначений для вимірювання питомої поверхні порошкоподібних матеріалів методом повітропроникності. Помел і активацію відсіву щебеню дробленого бетону здійснювали в лабораторному вібромлині - МВ-0,01. Принцип дії вібраційного млина заснований на приведенні маси куль і матеріалу, що подрібнюється в круговий коливальний рух за допомогою вібратора, сполученого з електродвигуном. Частинки 58 матеріалу, потрапляючи в простір між кулями, руйнуються. Подрібнення здійснюється ударом, стиранням і здавленням частинок матеріалу вільними тілами, що мелють. Траєкторія руху і коливальні імпульси кулі в помольній камері мають складну форму, яка залежить від положення кулі відносно корпусу. Сумарна маса всіх тіл, що мелють, положення і взаємодія куль, що виникають в процесі коливань визначають зусилля в активній зоні кожної кулі. Експериментальні дані показують, що ефективність подрібнення в млині вібраційного типу в першу чергу залежить від амплітуди і частоти коливання, твердості, кількості і розмірів куль, об'єму і форми помольної камери, ступеня її заповнення і властивостями матеріалу, що подрібнюється, умовами його надходження і швидкістю видалення подрібненого продукту [49]. У зв'язку з цим, при проведенні експериментальних досліджень значення кількості і форми куль, умови роботи млина, завантаження і вивантаження матеріалу в робочу камеру вібромлину фіксувалися для всіх проб. Ступінь заповнення камери у всіх випадках становила близько 10-20% обсягу камери, що відповідає рекомендованим оптимальним параметрам для даного виду млинів. Дозування в'яжучих речовин, наповнювачів, води, рідких і сухих хімічних добавок здійснювалося за масою. Перемішування сумішей при обсягах замісу менше 2 літрів здійснювалося вручну, а більше 2 літрів - в лабораторному змішувачі ЛС- ЦБ-10. Визначення реологічних параметрів: граничної напруги зсуву і пластичної в'язкості проводили на ротаційному віскозиметрі «Яеоіезі;». Універсальні віскозиметри марки «ЛеЩевІ:» дозволяють вивчати властивості плинності досліджуваної речовини з витримкою фізично точно визначених умов перебігу, здійснюваного за допомогою циліндричних вимірювальних пристроїв типу «Беагі». В циліндричних вимірювальних приладах цементна паста або суспензія піддається зрушенню в кільцевому зазорі між обертовим внутрішнім циліндром і нерухомим зовнішнім циліндром [50]. Визначення реологічних параметрів самоущільнювальних бетонних сумішей виробляли по розпливанням конуса і проходженню бетонною сумішшю діаметра 500 мм по методикам європейських стандартів. Процеси структуроутворення цементних систем, а також водопотреба піску, щебеню з подрібненого бетону, мікронаповнювача на основі відсіву дроблення бетонного брухту досліджували ультразвуковим методом згідно з методикою авторів [52]. Суть методу полягає в проходженні ультразвуку (УЗ) через розчинну / бетонну суміш, що знаходиться в пластиковій формі. В якості форм застосовувалися двохгніздові пластикові форми з розміром кожного гнізда 10,0x10,0x10,0 см виробництва фірми МаІеБІ (Італія). При цьому для поліпшення акустичного контакту бічні грані форми були сточені на 5 мм з кожної грані за допомогою свердла 59 діаметром, що перевищує на 2 мм діаметр датчика, для його вільного і щільного прилягання (мал.2.9). В якості вимірювача часу і швидкості поширення ультразвуку (УЗ) застосовувався прилад ПУЛЬСАР - 2.2 з двома датчиками (випромінювач-приймач УЗ сигналу) і «наскрізним» режимом роботи приладу (мал.2.10). Мал. 2.9 - Застосовувана пластикова форма Мал. 2.10 - Вимірювання часу і швидкості поширення ультразвуку приладом Пульсар - 2.2 Через кожні 15-20 хвилин визначали час проходження УЗ через суміш. Швидкість поширення УЗ хвиль, яка вимірюється в м/с, визначалася приладом автоматично за формулою 2.2: УМА- Ю6 , (2.2) де V - швидкість проходження УЗ; Ь база виміру, м (в даному випадку Ь = 0,1 (ширина форми) + 0,005 • 2 (товщина кожної грані форми)=0,11); 1 - час, мкс. Прилад має вбудовані цифрові і аналогові фільтри, що поліпшують співвідношення «сигнал-перешкода». Для автоматизації розрахунків, а також для обчислення оптимального співвідношення дрібного і крупного заповнювача, застосовувався програмний комплекс «Огапитеїтіс у.5.0». В основі розрахунку програми лежить інтелектуальний алгоритм послідовного зменшення похибки (розбіжності) розрахункового і еталонного зернових складів. Представлена розрахункова методика дозволяє за короткий час змоделювати імовірно оптимальний розподіл часток за розмірами, оперуючи тільки співвідношеннями масових часток вихідних компонентів в суміші 60 [55,57]. Для розрахунку трьохфакторного плану і прискореної обробки результатів планування експерименту застосовувався програмний комплекс «РІапЕхр - трьохфакторний планований експеримент «B-D13» v.1.0». Програмний продукт призначений для моментального розрахунку матриці планування і керування вихідними даними трьохфакторного планованого експерименту типу B-D13. У функції програми входять розрахунок плану експерименту по заданих змінних факторів, розрахунок коефіцієнтів рівняння математичної моделі, статистична оцінка адекватності моделі, побудова діаграми ліній рівного рівня, виявлення точки екстремуму і формування звіту за підсумками експерименту. Програма є незамінним інструментом при вирішенні науково прикладних завдань по оптимізації властивостей об'єкта дослідження, підбору рецептури і технологічних параметрів, де використовується математичне моделювання методом ортогонального планування експериментів [57]. Візуальне дослідження мікроструктури проводили за допомогою растрового електронного мікроскопа - FEI Quanta 200. Даний мікроскоп дозволяє отримувати зображення різних об'єктів зі збільшенням, що перевищує 100000 крат, з великим числом елементів розкладання (пікселів). Прилад призначений для виконання різних досліджень з мінімальними витратами часу на препарування об'єктів, забезпечуючи їх спостереження з винятковою глибиною різкості. Мікроскоп оснащений рентгенівським спектрометром для проведення елементного мікроаналізу (EDAX). Визначення середньої щільності (щільності в шматку) щебеню з дробленого бетону проводили методом гідростатичного зважування середньої проби зерен. Середню щільність, повітровміст, розшаровуваність, збереженість властивостей у часі бетонної суміші проводили за методиками ДСТУ «Суміші бетонні. Методи випробувань». Зберігання контрольних зразків бетону проводили в камері нормального твердіння при температурі (20±2)°С і відносній вологості повітря (95±5)%. Визначення міцності зразків бетону проводили по ДСТУ «Бетони. Методи визначення міцності по контрольних зразках». Морозостійкість визначали за ДСТУ «Бетони. Методи визначення морозостійкості». Водонепроникність визначали ДСТУ «Бетони. Прискорені методи визначення морозостійкості». Пористість бетонів визначалася шляхом трьохстадійного насичення водою попередньо висушених зразків за методикою [69]. Дана методика дозволяє експериментально розділити пори бетону на три групи. При цьому використана різна здатність пор поглинати воду, пов'язана не тільки з розміром пор, але і з їх будовою. Суть методики полягає в тому, що спочатку зразки бетону розміром 100x100x100 мм піддавалися насиченню в середовищі 100% вологості для визначення першої групи пор (ПІ), після 61 занурювалися в воду для визначення другої групи пір (П2), далі відбувалося насичення цих же зразків під вакуумом для визначення третьої групи пор (ПЗ). Величина ПІ характеризує кількість мікрокапілярів радіусом менше 10-5 см; пористість П2 дає уявлення про пори і тріщини, які утворені залученим повітрям, дефектами наповнювачів і твердінням бетону, макрокапилярів; пористість ПЗ характеризує «умовно замкнуті» пори, які не заповнюються вологою при звичайних умовах. До цієї групи входять пори гелю, що займають простір між частинками гідратних новоутворень. Випробування по визначенню усадки бетону проводилися по ДСТУ «Бетони. Методи визначення деформацій усадки та повзучості». Визначення та оцінку тріщиностійкості бетону виробляли за коефіцієнтом інтенсивності напружень (Кс). Для визначення коефіцієнта інтенсивності напружень застосовували зразки-призми розміром 10x10x40 см з надрізом глибиною 33 мм, що імітує тріщину. Надріз утворювався на стадії бетонування зразків за допомогою гострого клину, закріпленого перпендикулярно вертикальній стінці форми. Товщина клина при вершині становила 0,1 мм [29]. Висновки за розділом 2 1. Для аналізу і вивчення вихідних сировинних матеріалів самоущільнювальних бетонних сумішей і отриманих на їх основі самоущільнювальних бетонів для підлог промислових будівель та паркінгів, використовувалися стандартні науково-обґрунтовані методики, застосовувалося новітнє обладнання, а також лабораторні прилади та обладнання. 2. Для автоматизації розрахунків і прискореної обробки результатів застосовувалося сучасне науково-прикладне програмне забезпечення. 3. Вивчення процесів структуроутворення цементних систем, а також водопотреби піску, щебеню з дробленого бетону, мікронаповнювача на основі відсіву дроблення бетонного брухту досліджували ультразвуковим методом. 62 РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ОПТИМІЗАЦІЇ СКЛАДІВ БЕТОНУ З ЕФЕКТОМ САМОУЩІЛЬНЕННЯ ДЛЯ ПІДЛОГ ТА ПАРКІНГІВ З ВИКОРИС ТАННЯМ ВТОРИННИХ МАТЕРІАЛІВ ЗЛ Аналіз примінення рециклінгового щебню в якості крупного заповнювача Отриманий лабораторним способом щебінь фр.5-10 мм з дробленого бетону має три основні різновиди зерен за складом, які визначають всі властивості щебеню: 1. Зерна, що складаються з цементно-піщаного розчину, налиплого на первинний великий заповнювач. В даному випадку зерно розглядається як трикомпонентна система: початковий подрібнений великий заповнювач - контактна зона - цементно-піщаний розчин. Наявність контактної зони є найслабшим елементом системи в зв'язку з високою пористістю і низькою міцністю. Склад контактної зони представлений переважно кристалами еттрінгіта, портландіта і карбонатами кальцію. Даний щебінь відрізняється анізотропністю властивостей через непостійної кількості налиплої розчинної частини на кожному зерні. 2. Зерна, що складаються тільки з цементно-піщаного розчину, міцність якого визначається вихідним В/Ц, активністю цементу і кількістю піску. Зерна мають однорідну пухку структуру, що характеризується великим водопоглиненням, низькою міцністю і низькою морозостійкістю. 3. Подрібнені зерна тільки початкового крупного заповнювача осадового походження, особливістю якого є наявність гострих кутів і сколів, що є результатом подрібнення вихідної фракції. Зерна щебеню з дробленого бетону відрізняються наявністю мікро- і макротріщин. Кількісний розподіл зерен щебеню з дробленого бетону в основному залежить від міцності вихідного бетону, способу дроблення матеріалу, розміру отримуваної фракції. Міцність вихідного залізобетонного брухту визначалася ультразвуковим методом. Оцінка міцності проводилася за універсальною градуювальною залежністю,. Результати отриманих вимірювань представлені в табл. 3.1. Таблиця 3.1 - Результати визначення міцності вихідного залізобетонного брухту № Швидкість Міцність по універсальній Середня міцність виміру УЗ, м/с градуювальній залежності, МПа, вихідного брухту, МПа 1 4006 36,8 2 4045 37,4 :> 4100 38,3 37,5 4 4005 36,8 5 4105 38,4 6 4023 37,1 63 Режим і спосіб отримання щебеню в лабораторних умовах полягав в його дробленні в металевому циліндрі діаметром 150 мм з постійною швидкістю навантаження 1-2 кН/с до досягнення максимального навантаження 200кН. Дроблення в даному випадку відбувається за рахунок контактної взаємодії матеріалу між собою. В результаті утворюється досить невеликий вміст для даного матеріалу зерен пластинчастої (лещадної) і голчастої форми в кількості 22,3%, що пояснюється в роботах авторів [22] наступним чином: незалежно від міцності вихідного бетону найбільша кількість зерен щебеню кубовидної форми знаходиться саме в дрібних фракціях дробленого щебеню. Форма зерен щебеню фр.5-10мм, отриманого в лабораторних умовах, має суттєвий вплив на такі характеристики виготовляємого з нього бетону. Визначення складу щебеню здійснювалося візуальним методом, шляхом сортування навішування щебеню з дробленого бетону масою 1000 г по трьом вказаним групам. Величина налиплої розчинної складової в першій групі визначалася шляхом термічної обробки проби масою 1000 г при температурі 600°С протягом 3 годин. Після охолодження проби розчинну складову відокремлювали вручну від шматків крупного заповнювача. Результати представлені в табл. 3.2. Таблиця 3.2 - Кількісний склад форми зерен. № Різновид зерна Кількість, % групи за масою 1 Зерна, що складаються з цементно-піщаного розчину, 35,6 налиплого на первинний великий заповнювач 2 Зерна, що складаються тільки з цементно-піщаного розчину 56,1 3 Подрібнені зерна початкового крупного заповнювача 8,3 Виходячи з даних табл. 3.2, можна зробити висновок, що зерна щебню з дробленого бетону фр.5-10 мм, отриманого лабораторним способом з внутрішньої ЖБ панелі будинку серії 1605АМ/5, переважно складаються з цементно-піщаного розчину і цементно-піщаного розчину, налиплого на первинний великий заповнювач - 91,7%. Як показують роботи авторів [23], присутність розчинної частини знижує модуль пружності бетону на 7-18% в порівнянні з аналогічними бетонами на природних заповнювачах, що необхідно враховувати при виборі галузі застосування самоущільнювального бетону на роздробленому щебені. У сукупності зерна щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм мають неправильну шорстку форму, порівняно низьку міцність і велику пористість, отже, і підвищене водопоглинання. Ці характеристики і будуть впливати на основні властивості самоущільнювальної суміші і бетону [23]. Заповнювач, що має підвищене водопоглинання і, отже, підвищену водопотребу сприяє утворенню певної структури бетонної суміші в результаті того, що він 64 перш за все, при замішуванні, поглинаючи воду з бетонної суміші, а потім при твердінні та утворенні капілярнопористої структури в бетоні відбувається відсмоктування води із пор заповнювача в твердіючий цементний камінь. Таким чином, щебінь з дробленого бетону активно впливає на формування як структури цементного каменю, так і контактної зони між цементним каменем і заповнювачем. Формування цементного каменю в цьому випадку відбувається при зниженому водовмісту [25]. При застосуванні щебеню з дробленого бетону слід очікувати зниження реологічних характеристик і зменшення термінів зберігання властивостей бетонної суміші в часі в силу сорбційних процесів заповнювачем. Застосування оптимальної кількості щебеню з дробленого бетону спільно з полікарбоксилатними пластифікаторами останнього покоління дозволить стабілізувати суміш і запобігти її розшарування. Оскільки для досягнення самоущільнення необхідно підвищений вміст розчинної складової, а кількість крупного заповнювача обмежена, самоущільнювальні бетони мають «плаваючу» структуру зі значним видаленням зерен крупного заповнювача. Для даного виду структури експлуатаційні властивості бетону будуть, більшою мірою, визначатися якістю розчинної складової (кількість і активність цементу, кількість мікронаповнювача, В/В і т.інш.), величиною зчеплення цементного каменю з наповнювачами, якістю контактної зони і, в меншій ступені, міцністю крупного заповнювача. Зерна отриманого щебеню з дробленого бетону фр. 5-10 мм мають більш розвинену поверхню за рахунок нерівностей, тріщин, що виникають при дробленні, шорсткість за рахунок присутності розчинної складової, що в сумі буде сприятливо впливати на подальше зчеплення цементного каменю з крупним заповнювачем в самоущільнюючому бетоні. Якість же контактної зони матиме індивідуальний характер виходячи з продуктів гідратації портландцементу з мікронаповнювачем. 3.1.1 Дослідження крупного заповнювача з рециклінгового щебеню для бетону. Для обліку особливостей структури бетону при розрахунках необхідно характеризувати її кількісними показниками, причому такими, які відповідали реальним умовам її формування, найбільш точно відображали роль цементу і заповнювача. В якості таких характеристик зручно використовувати об'ємну концентрацію цементного тіста (С) і справжнє водо-цементне відношення (В/Цист., Або \¥) [52, 58]. Заповнювач з дробленого бетону фр.5-10 мм не тільки бере участь в процесі формування структури, активно відволікаючи воду замішування, а й вносить вклад в перерозподіл пір в сформованому при істинному В/Ц каркасі цементного каменю і створення пір контактної зони між цементним каменем і заповнювачем [32]. Водопотреба щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм визначалася ультразвуковим методом і оцінювалася за 65 коефіцієнтом водопотреби [26,27]. На першому етапі дослідження визначався період формування структури (ПФС) портландцементу ЦЕМ І 42,5Б при трьох значеннях коефіцієнта нормальної густоти цементного тіста, рівного [52]: - мінімальної кількості води для утворення коагуляційної структури цементного тіста, рівному км.в= 0,876-Кн .р; - кількості води, відповідній нормальній густоті цементного тіста Кн.г; - граничної кількості води, утримуваної цементним тістом Кпр= 1,65-Кн.г. Результати швидкості проходження ультразвуку представлені в табл. 3.3 і на мал. 3.1 Таблиця 3.3 - ПФС ЦЕМ І 42,5Б Час від початку змішування Ш видкість УЗ, м/с з водою, хв. 0,876-Кнг Кнг 1,65-Кщ. 10 733 742 725 зо 780 732 740 45 774 736 740 60 709 738 740 90 780 734 742 120 800 734 738 150 920 780 740 180 1130 825 743 210 1400 1145 758 240 1512 1379 812 260 1640 1476 816 280 1742 1580 825 300 1825 1679 1010 315 1943 1749 1100 330 2061 1834 1160 360 2158 1975 1284 375 2270 2079 1374 390 2302 2130 1400 Час з моменту затворення, хв. (Х87б*Кнг ІСнг 1,65 *Кйг Мал. 3.1 - Залежність швидкості проходження ультразвуку через цементне тісто від часу з моменту замішування. 66 Аналіз даних мал. 3.1 показав, що в початковий момент часу після замішування цементу водою спостерігаються пологі ділянки кривої проходження ультразвуку, які після певного часу змінюють прямолінійну форму і різко йдуть вгору, що відповідає значенням 0,876 • КНг - 150 хв., КНг - 180 хв. і 1,65 • Кн.г - 280 хв. При цьому спостерігається закінчення періоду формування структури і утворення початкової структури, де спостерігається фазовий перехід з пластично-в'язкої в кристалізаційну структуру. В/Ц„ Мал. 3.2 Залежність періоду формування структури цементного тіста від В/Ц. Далі за методикою авторів [52] готувалася бетонна суміш з витратою о цементу 650 кг/м і абсолютним обсягом щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, рівним 500 л, при консистенції суміші, що відповідає ОК = 1см. Визначали ПФС приготовленої бетонної суміші і вираховували коефіцієнт водопотреби щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм. Результати представлені в табл. 3.4. Таблиця 3.4. Дослідження водопотреби щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм ПФС (хв.) Вц = Ц-В/Ц,, Взап Взатв - Ви Кзап Взап/Рзап 168 162,5 71,25 0,075 Примітки: Вц - вода, яка припадає на цемент, л; Ц - витрата цементу, 650 кг/м ; В/Цисх - справжнє водо-цементне відношення бетонної суміші, (визначено за о графіком 3.2) - 0,25; Взатв - вода замішування, 233,75 л/м ; Взап - вода, яка припадає на щебінь з дробленого бетону фр.5- 10 мм; Рзап - маса щебеню з о в дробленого бетону фр.5-10 мм - 950 кг/м (середня щільність подрібненого о щебеню в шматку - 1,9 кг/м ); Кзап - коефіцієнт водопотреби щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм. 67 Для аналізу впливу щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм на міцність самоущільнювального бетону розраховувався коефіцієнт міцності заповнювача Язап, що враховує вплив заповнювача на міцність бетону згідно [52], який означає відношення міцності на стиск бетону, отриманого з бетонної суміші на досліджуваному заповнювачі, до міцності бетону, приготовленого на використовуваному кварцовому піску. Для порівняння також досліджувалися гранітний щебінь і щебінь з гравію фр.5-10 мм, коефіцієнти водопотреби яких були розраховані за методикою, зазначеною вище. Експеримент проводився при незмінних значеннях об'ємної концентрації цементного тіста і істинного водоцементного відношення, рівних: С=0,34; В/Ц;ет=0,32. Об'ємна концентрація використовуваного кварцового піску становила 8п = 0,16, а досліджуваних наповнювачів 8зап = 0,5. Склади і результати представлені в табл. 3.5 і мал. 3.3. Таблиця 3.5 - Коефіцієнти впливу заповнювача на міцність бетону. 2 доби 7 діб 28 діб Структурні нормального нормального нормального Вид Склад характеристики твердіння твердіння твердіння досліджуваного Кап бетону заповнювача кг/м3 Є В/Ц„ст Кжї КяКЯ Кж> МПа Кап МПа Кап МПа Кап Використовува Ц: 531 1 ний кварцовий 0,04 П:1555 18,3 1 36,5 1 48,1 1 пісок В: 232 Щ ебінь з Ц: 531 П: 2 подрібненого бетону фр. 5-10 0,075 376 Щ: 832 16,7 0,91 33,3 0,91 42,4 0,88 мм В: 247 0,34 0,32 Гранітний Ц: 531 0О щебінь фр. 5-10 0,029 П: 376 20,2 Щ: 1340 1,1 41,3 1,13 52,1 1,08 мм В: 223 Щ ебінь із Ц: 531 4 гравію фр. 5-10 0,021 П: 376 1,04 мм Щ: 1293 19,0 37,6 1,03 49,9 1,04 В: 212 Склад № 68 І І І і Я І І І Кварцовий Щебінь з Щебінь пісок подрібненого Гранітний бетону щебінь із гравію ■ 2 доби нормального твердіння ■ 7 діб нормального твердіння ■ 28 діб нормального твердіння Мал. 3.3 - Значення Кзап в різні доби нормального твердіння Аналіз даних табл. 3.5 і мал. 3.3 показав, що застосування щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм веде до зниження міцності бетону в усіх контрольованих термінах нормального твердіння: Кзап -0,91 (2 доби), ІІзал -0,91 (7 діб), Я3ап -0,88 (28 діб). Це пояснюється збільшенням загальної та капілярної пористості бетону, а також низькою міцністю щебеню з дробленого бетону зважаючи на присутність розчинної складової і наявністю тріщин в структурі. Проте, зниження міцності у віці 28 діб нормального твердіння склало 12% в порівнянні зі складом на піску, що дає можливість ефективно використовувати щебінь з дробленого бетону фр.5-10 мм в литих і самоущільнювальних бетонах при високих значеннях частки піску в суміші заповнювачів . 3.2 Аналіз мікронаповнювача з відсіву подрібнення вторинного бетону Попередньо проведений хімічний аналіз відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм показав неоднорідність хімічного складу матеріалу (табл.3.6, рис 3.4). 69 Таблиця 3.6 - Результати визначення хімічного складу відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм О ксид Вміст *, % СаО 49,02 БІОг 39,45 АІ2О 3 3,74 Ре2 0 з 2,50 М «0 1,76 К20 1,12 ЭОз 1,05 1Ма?0 0,587 Т і02 0,222 Р2О5 0,153 гп о 0,0917 М пО 0,0851 БгО 0,0742 ВаО 0,0631 СиО 0,0222 Сі 0,0190 гт0 2 0,0152 Сг20з 0,0139 С0 3 О4 0,0072 у 20 5 0,0064 Примітка: * вм іст на прокалену речовину. Застосування даного матеріалу в якості сировини для самоущільнювального бетону без попередньої обробки не представляється можливим. Аналіз літературних джерел показує, що відсів дроблення ефективно піддавати активації і використовувати в якості високодисперсного порошкоподібного мінерального компонента - мікронаповнювача. Мікронаповнювач, отриманий шляхом активації відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, в самоущільнювальних бетонних сумішах доцільно застосовувати для: - досягнення високих реологічних властивостей. Водна композиційна дисперсія, пластифікована полікарбоксилатним суперпластифікатором, що складається з портландцементу ЦЕМ І 42,5Б і мікронаповнювача, буде утворювати реологічну матрицю, яка необхідна для досягнення високої плинності і отримання самоущільнення бетонної суміші; - стабілізації суміші і запобігання її розшарування. Мікронаповнювач має велику питому поверхню, обумовлену активацією, а значить і високу водопотребу, що буде зменшувати кількість вільної води, внаслідок адсорбційних сил, запобігаючи надмірне водовідділення бетонної суміші; - збільшення щільності упаковки зерен заповнювача. Застосування оптимальної кількості 70 мікронаповнювача сприятиме зменшенню пустотності суміші наповнювачів, сприяючи утворенню безперервної гранулометричної кривої, коригуючи її в меншій частині; - утворення високоякісної структури цементного каменю. Методом РФА встановлено фазовий склад отриманого відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, який представлений на мал. 3.4. Встановлено, що до відсіву не присутні піки гідросилікатів кальцію. Активація відсіву дозволить отримати ефективний мікронаповнювач, здатний до хімічної взаємодії з портландцементом. Мал. 3.4 - Рентгенограма відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5- 10 мм - ослаблення процесу накопичення мікротріщин, внаслідок демпфуючої дії наповнювача і зниження швидкості росту магістральних тріщин; - зменшення капілярної пористості бетону, пов'язаної з щільною упаковкою зерен складових суміш; - економії мікронаповнювачів (мікрокремнезем, мелений доменний шлак, зола-винесення [53, 54], і т.інш.), необхідних для отримання самоущільнювального бетону; - поліпшення екологічної обстановки шляхом більш повної переробки великотоннажних будівельних відходів, зокрема, бетонного і залізобетонного брухту. Для збільшення ефективності мікронаповнювача при активації відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону раціонально додавати сухий полікарбоксилатний суперпластифікатор МеШих 558Щ в результаті проведення механохімічної активації існує можливість отримати гідравлічно активний компонент бетону. Процес активації веде до збільшення питомої поверхні мікронаповнювача, зміни структури частинок на поверхні, утворення додаткових дефектів в решітках мінералів, які прискорюють елементарні взаємодії поверхневого шару частинок, підвищують однорідність матеріалу [20]. Суперпластифікатор МеШих 5581Р необхідний для створення адсорбційного шару на поверхні частинок розмелюючого відсіву дроблення, знижуючи твердість і полегшуючи деформації і руйнування 71 внаслідок зниження поверхневої енергії, а також для подальшої часткової диспергацїї композиційної системи. Полікарбоксилатна основа Melflux 5 58 IF повністю сумісна з високомолекулярною полікарбоксилатною основою Sika ViscoCrete Е55 і в сумі можна припустити утворення синергетичного ефекту роботи пластифікаторів. Спільне використання полікарбоксилатних суперпластифікаторів дозволить досягти високої щільності бетону при мінімальних енергетичних витратах на ущільнення. 3.2.1 Дослідження технології отримання мікронаповнювача з відсіву дроблення шляхом механохімічної активації. Дослідження вітчизняних і зарубіжних вчених в області поліпшення властивостей цементних композитів ведуться в напрямку запровадження різних тонкодисперсних наповнювачів. Виявлено, що введення високодисперсних матеріалів різної природи і гранулометричного складу в матрицю композиційного в'яжучого покращує властивості будівельних матеріалів. Відомо, що це з одного боку призводить до утворення додаткових центрів кристалізації в цементно-водних композиціях при їх гідратації, а з іншого - підвищення фізико-механічних властивостей цементного каменю через реалізації надлишкової поверхневої енергії дисперсних частинок [62, 63]. Ступінь подрібнення наповнювача обумовлюється його призначенням. У дослідженнях [21, 64, 65] вказується, що при використанні інертних або малоактивних наповнювачів більш подрібненою повинна бути клінкерна складова, а менш подрібненою - додаткова. При застосуванні активних наповнювачів, таких як металургійні шлаки, навпаки, наповнювач повинен бути більш дрібного подрібнення [65]. Отже, для ефективного застосування відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм в СУБ необхідно раціонально підібрати режим і ступінь подрібнення матеріалу. При дотриманні відповідних умов подрібнення можна поліпшити структуру і основні властивості самоущільнювального бетону, підвищити його корозійну стійкість і довговічність. Спочатку відсів дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм характеризувався зерновим складом, представленим в табл. 3.7. Таблиця 3.7 - Гранулометричний склад відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм. Розмір комірки сита, мм 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 дно Часткові залишки , % 25,1 15,5 19,1 21,5 13,3 5,5 Повні залишки,% 25,1 40,6 59,7 81,2 94,5 100 72 Встановлено, що фракція відсіву менш 0,14 мм має питому поверхню 1340 см 2 /г. Наві•ть якщо використовувати тільки цю фракцію, то таке значення набагато менше значення питомої поверхні високодисперсного мікронаповнювача. Природно, що при такій дисперсності полімінеральна система, якою є відсів, не може в повній мірі виконувати функції ні центрів кристалізації, ні в повній мірі розкрити свій реакційно-хімічний потенціал, ні підвищити реологічну функцію суперпластифікатора. Відповідно, необхідна механоактивація відсіву дроблення щебеню з бетонного брухту фр.5-10 мм шляхом його спільного подрібнення з полікарбоксилатним суперпластифікатором МеШих 5581Б до в и с о к и х значень дисперсності. В роботі авторів [65] було становлено, що для отримання високоякісних бетонів на основі високорухливих бетонних сумішей, питома поверхня наповнювача повинна бути на 700-1400 см /г більше питомої поверхні цементу. Активація відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм здійснювалася в лабораторному вібромлині. Варіювалася величина часу помелу і дозування МеШих 558ІИ, а кількість і маса куль, ступінь заповнення робочої зони камери млина, швидкість надходження і видалення матеріалу залишалися незмінними. Безперебійнтй час подрібнення вибрано виходячи з оптимальної продуктивності помельного обладнання без його перегріву і екстремальних умов роботи. Для оцінки ефективності дії полікарбоксилатного суперпластифікатора, активація проводилася як в присутності МеШих 5581 Б, так і без нього. Кількість МеШих 5581Б вибиралося виходячи з теоретичних передумов і рекомендацій виробника.Кількість полікарбоксилатного суперпластифікатора МеШих 5581Б приймалося в інтервалах, що виключають негативний вплив застосування наповнювача в бетонній суміші, викликаного передозуванням хімічної добавки, що приводить до розшарування і зниження міцності. Оцінка ефективності активації здійснювалася за питомою поверхнею отриманого мікронаповнювача (МН) в см2 /г і0 за розподі° лом часток за розмі• рами при макс. часу помелу. Таблиця 3.8 Питома поверхня мікронаповнювача при різних режимах активації Дозування Час помелу, хв. МеШих 5 581Б в % від маси 30 45 60 75 90 120 150 відсіву Питома поверхня, см2/г Контр. 0 2903 3336 3678 3789 3825 3904 3956 1 0,1 2919 3392 3726 3825 3917 4059 4156 2 0,2 3009 3499 3819 3956 4025 4200 4326 3о 0,3 3059 3590 3900 4039 4100 4320 4410 4 0,4 3072 3625 3929 4091 4169 4400 4485 5 0,5 3100 3687 3973 4159 4258 4458 4575 № складу 73 Таблиця 3.9 - Розподіл часток за розмірами при 150 хв. активації. № Кількість Melflux Питома Зміст фракцій в %, мкм 558IF в % від маси складу поверхня, см2/г відсіву 0-5 5-10 10-20 0-10 0-20 >80 Контр. 0 3956 3,3 21,0 14,9 17,6 40,3 2,9 1 0,1 4156 4,4 18,7 16,7 18,2 40,1 1,9 2 0,2 4326 5,5 15,4 17,8 20,9 38,8 1,5 01 0,3 4410 6,1 15,9 18,3 23,6 34,9 1,2 4 0,4 4485 6,3 16,3 15,8 27,0 33,6 1,0 5 0,5 4575 7,2 14,9 19,3 26,6 31,2 0,8 4700 4450 4200 1 зш 0S 3700 S g 3450 3200 2950 2700 ЗО 45 60 75 90 120 150 180 Час активації, хв. Мал. 3.5 - Залежність питомої поверхні наповнювача від часу активації. Аналіз даних, представлених в таблиці 3.9 і на мал.3.5 показав, що введення полікарбоксилатного суперпластифікатора Melflux5581F робить позитивний вплив на величину тонкощі помелу наповнювача і знаходиться в прямо пропорційній залежності від його дозування. Механізм дії суперпластифікатора полягає в адсорбції молекул полікарбоксилату, що зменшує поверхневу енергію, створюючи розклинюючий ефект і полегшуючи подрібнення. При максимальному дозуванні Melflux 5581F, відповідної 0,5% від маси початкового відсіву дроблення щебеню з бетонного брухту, величина питомої поверхні зростає на 15,65% від контрольного бездобавочного складу (з 3956 см /г до 4575 см2/г), що значно зменшує енерговитрати на подрібнення матеріалу. Залежність «час помелу - питома поверхня наповнювача» на ділянці кривої до 60 хвилин роботи вібромлину при різних кількостях суперпластифікатора при проведенні математичної апроксимації даних носить лінійний характер, що відповідає закону Рітенгера [67]. При однакових умовах подрібнення питома поверхня підвищується тільки зі збільшенням кількості Melflux 558IF у всіх випадках. При подальшій активації зростання питомої поверхні мікронаповнювача значно 74 сповільнюється, зважаючи на агломерацію найтонших частинок, що особливо очевидно у контрольного складу. У складах 1-5 агломерація проявляється в меншій мірі внаслідок розклинювального і електростатичного ефекту відштовхування частинок, що містять на своїй поверхні суперпластифікатор МеШих 5581 Б. Найбільша питома поверхня мікронаповнювача відповідає величині• 4575 см 2 /г (склад №5) при максимальному вмі• сті• полі•карбоксилатного суперпластифікатора в кількості 0,5% від маси початкового відсіву. Розподіл часток за розмірами при максимальному часу помелу 150 хвилин носить характер нормального розподілу зі збільшенням часток дрібної фракції і прямо пропорційно дозуванні МеШих 5581Й у всіх випадках. Для аналітичного опису отриманих графіків був застосований метод математичної обробки даних шляхом апроксимації і згладжування ламаних ліній за умови досягнення мінімально можливого коефіцієнта кореляції. Отримані рівняння представлені в табл. 3.10. Таблиця 3.10 - Аналітичні зівняння помелу в вібромлині К ільк ість Р івняння залеж ності п итом ої поверхні № складу М еШ их 5 5 8 1Б н аповню вача (у) від часу пом елу в в ібром лині К оеф іц ієнт кореляц ії в % от маси (X) рівняння (Я) Контр. 0 у = 0 ,0 0 1 8 -х3-0 ,5 9 6 4 -х2+ 6 6 ,9 -х+13 87,2 0,995 1 0,1 у=0,0017-х3-0,5636-х2+65,033-х+1444,6 0,9944 2 0,2 у=0,0017-х3-0,5748-х2+66,217-х+1509,3 0,9954 оЗ 0,3 у=0,0017-х"-0,5641 -хЧбб, 194-х+1563,9 0,991 4 0,4 у=0,0016%-0,5472-х"+65,955-х+1573,7 0,9921 5 0,5 у=0,0017-х'5-0,5903-хг+70,077-х+1513,6 0,9944 Виходячи із загальних експериментально-теоретичних положень наповнених цементних систем, кількість дисперсних наповнювачів може коливатися від 10 до 70% [68]. Даний інтервал був застосований в експериментальних дослідженнях з метою оцінки впливу отриманого мікронаповнювача на властивості цементних композитів. Для порівняння загальні властивості контрольного бездобавочного складу представлені в табл. 3.11. Таблиця 3.11 - Характеристики контрольного складу Міцність стандартного цементного розчину складу 1: 3, Терміни Вид н г , МПа * Склад схоплювання, хв цементу % 2 доби. 7 діб. 28 діб Поч. кін. стиснення вигин стиснення вигин стиснення вигин ЦЕМ І 26, Контрольний 185 245 23,3 5,2 36,7 6,3 51,4 7,6 42,5Б 5 75 Для одночасного обліку основних чинників , що впливають на властивості цементного композиту, із застосуванням активованого мікронаповнювача, а також для мінімізації експериментів і отримання математичних моделей, був застосований метод математичного планування експерименту. Для проведення експерименту було прийнято трьохфакторний план. Для розрахунку трьохфакторного плану і прискореної обробки результатів планування експерименту застосовувався програмний комплекс «РІапЕхр», трьохфакторний планований експеримент «Y-D13» v.1.0 »[57]. Фактори, рівні та інтервали варіювання представлені в табл. 3.12. Таблиця 3.12 - Рівні та інтервали варіювання факторів. Фактор Рівні варіювання Позначення Інтервал Найменування -1 0 + 1 варіювання Натуральні ОДИНИЦІ Кодовані о д и н и ц і Час помелу хв. X, 30 90 150 60 Кількість мікронаповнювача % Х2 10 40 70 30 в цементній системі Дозування МеШих 5581И % Хз о д 0,3 0,5 0,2 в мікронаповнювачі Загальна кількість експериментальних складів склала N=10, кількість повторних дослідів п=3.Результати проведених експериментів представлені в табл. 3.13. Таблиця 3.13 - Результати аналізу експериментів. В ихідні параметри, Уср Кодовані одиниці Стандартний розчин 1: 3 (МПа) Терміни нг, схоплювання, % хв. ПФС, 2 доби 7 діб 28 діб хв. X , Х 2 Хз стиснення п о ч . кін. стиснення В И Г И Н В И Г И Н стиснення В И Г И Н 1 -1 -1 -1 2 8 ,1 7 1 6 0 200 140 15,1 2 ,7 2 2 ,7 3 ,4 3 3 ,4 4 ,8 2 + 1 -1 -1 26,00 185 2 3 8 167 2 3 ,0 5 ,0 3 6 ,2 6 ,4 5 1 ,4 7 ,3 ОJ -1 +1 -1 2 6 ,6 7 135 165 93 1 4 ,4 2,1 2 2 ,4 2 ,7 3 2 ,3 4 ,4 4 -1 -1 + 1 2 6 ,0 8 183 2 3 5 154 16 ,8 2 ,9 2 5 ,4 3 ,7 3 7 ,1 5Д 5 -1 0,19 0 ,1 9 2 7 ,0 0 168 2 0 0 137 1 8 ,2 2 ,9 2 5 ,9 3 ,9 j / ,3 4 ,9 6 0 ,1 9 -1 0 ,1 9 2 5 ,1 7 183 2 3 0 165 2 2 ,1 4 ,6 3 3 ,3 5 ,2 4 7 ,8 5 ,4 7 0 ,1 9 0,19 -1 2 5 ,7 5 162 190 149 2 1 ,8 4 ,3 3 1 ,4 5 ,0 4 4 ,4 6 ,4 8 -0 ,2 9 +1 +1 2 4 ,8 3 197 2 3 0 170 1 9 ,0 4 ,0 2 8 ,5 4 ,9 4 1 ,3 6 ,0 9 +1 0,29 +1 2 2 ,6 7 2 2 7 2 4 5 2 0 2 2 4 ,4 5 ,3 3 6 ,9 6 ,4 5 3 ,2 7 ,7 10 +1 +1 0 ,2 9 2 4 ,0 8 2 4 8 2 6 5 211 2 0 ,5 4 ,3 3 1 ,0 5,1 4 3 ,6 6 ,3 Примітка: * Випробування проводилися на сумішах з однаковою рухливістю. № досліду 76 Обробка даних здійснювалася за допомогою програмного комплексу «РІапЕхр В-ОІ3», алгоритм програми включає основні процедури: процедуру розрахунку коефіцієнтів функції відгуку, процедуру статистичної обробки та процедуру візуалізації математичної моделі. Крім того, алгоритм включає допоміжну процедуру, що забезпечує перевірку синтаксичної правильності даних, що вводяться. При допущенні помилок введення даних програма коригує дії користувача за допомогою текстового оповіщення [57]. В результаті були отримані поліноміальні рівняння, що характеризують взаємозв'язок властивостей цементного композиту від кількості і основних властивостей отриманого мікронаповнювача з відсіву дроблення щебеню. У табл. 3.14 приведені експериментально-статистичні моделі основних властивостей композиційного в'яжучого. Таблиця 3.14 - Експериментально-статистичні моделі основних властивостей композиційного в'яжучого. № Вихідний параметр, у п/п Рівняння регресії 1 Нормальна густота тіста у-25,432 - 1.495-х, ~0,377-х, - 0,988-х3+ 0,239-хГ-0,317-хр - в'яжучого,% 0,366-Х)-х3+ 0,421-хухз (3.1) Терміни початок у= 179,973 +28,838-х,+8,033-х2 + !7,053-х3+ 15,39 -хр + І5 ,723-х ,-х2 (3.2) 2 схоплювання, хв. у=207,765 + 21,422-х , + 14,357-х3+ 10,973 -хр +! 7.502-х4 -9,508 початок кінець -Хз2+ 1 0 ,8 6 7 -х гх і -8 .6 0 3 -Х|-хз+5,4Тх->-Хз (3.3) . 3 у= і 63,142+30,755 -х,+14,99-х,+0,097 -х,-х-,+8,002 -хгх, 1 Період формування структури, хв. (3,4) Міцність у віці 2 стиснення у=22,502 +3-х, -0,957 -х2+ 0,564-хг 1,351 хр-2,06 -хЛо,472 4 ■х,*’-0,637 -Х!-хг 0,293 -х ,-х , (3.5) доби, МПа вигин у= 4,394+1,059 -Хі-0,245 -хг+0,236 -хг 0,453-х,і-0,271-х/- 0.111-Х|-х2+0ЛЗх2-Хз (3.6) у=3].99+4,974 -хг 1,615 -хг+0,92 -хг 1.296 -хг-1.642 -хЛ 1,422 5 Міцність у віці 7 стиснення -х,-х:, (3.7) діб, МПа вигин у-5,105+1,131 -х,-0,279 -х2+0.299 -хг 0,444 -хГ-0,24 -хсХгО.Іб -х,-х3+0,291 -х2-х3 (3.8) у = 45.528 + 6,698-х, -2,518-х-, +ї,682-х}- 1,734-х,2- 2.219-х,- Міцність у віці стиснення ~2.028-х,-х, (3.9) 6 28 діб, МПа вигин у=5,722+1,067 Хї -*0,206 х3+0,!63 ■х1-і-0,61-х2і+-0,739-хз- - 0,158 -хгхз+0,18 -х2-х3 (3.10) 77 Встановлюємо, якою мірою кожен з вхідних досліджуваних факторів системи впливає на вихідний параметр. Модуль коефіцієнта регресії - це кількісна міра даного впливу. Знак «+» коефіцієнта регресії свідчить про те, що зі збільшенням значення даного вхідного фактора буде зростати і величина вихідного параметра системи; при знаку «-» збільшення значення даного чинника призведе до зменшення вихідного параметра (параметра оптимізацїї). Аналізуючи рівняння (3.1) робимо висновок про те, що мінімальне значення нормальної густоти тіста в'яжучого буде досягатися при хі = х2 = х3 = 1. Ця умова виконується при максимальному часі активації, найбільшій кількості мікронаповнювача в цементній системі і максимальній кількості суперпластифікатора МеШих 558ІБ в мікронаповнювачі. При цьому вплив параметра Х] на зниження нормальної густоти тіста в'яжучого сильніше, так як значення коефіцієнта більше. Знак «+» перед коефіцієнтом взаємодії х2-х3 свідчить про те, що збільшення величини нормальної густоти тіста в'яжучого можливо, якщо тільки взаємодіючі чинники знаходяться на верхньому або нижньому рівні одночасно, а знак «-» перед коефіцієнтами взаємодії свідчить про те, що збільшення нормальної густоти тіста можлива тільки, якщо один з взаємодіючих факторів хух3 буде перебувати на верхньому рівні варіювання, а інший - на нижньому. Якщо прийняти значення всіх факторів за винятком X] або х3 на основному рівні, можна перетворити рівняння в рівняння параболи виду у = Ь0 + ЬіХі + ЬііХ;2. Абсолютне значення коефіцієнта Ь; відповідає швидкості зміни досліджуваного фактора X;. Терміни схоплювання, наведені в рівнянні 3.2, лінійно залежать від всіх варійованих факторів. У рівнянні присутня взаємодія факторів часу помелу і кількості мікронаповнювача в цементній системі, знак «+» перед коефіцієнтом взаємодії говорить про те, що збільшення термінів схоплювання (початок схоплювання) можливо, якщо тільки взаємодіючі чинники одночасно знаходитимуться на верхньому або нижньому рівні. Якщо прийняти значення всіх факторів за винятком Хі на основному рівні, можна перетворити рівняння в рі• вняння параболи виду у = Ь0 + Ь]Хі + ЬцХі 2 . Терміни схоплювання, наведені в рівнянні 3.3, лінійно залежать від часу активації і кількості МеШих 5581¥ в мікронаповнювачі. Причому вплив параметра X] (часу помелу) більше. У рівнянні присутня взаємодія факторів Хі • х2, X] • х3, х2 • х3; знак «+» перед коефіцієнтами взаємодії Х] • х3, х2 • х3 говорить про те, що збільшення термінів схоплювання (кінець схоплювання) можливо, якщо тільки взаємодіючі фактори будуть перебувати на верхньому або нижньому рівні одночасно. Знак «-» перед коефіцієнтом взаємодії Хі • х3 свідчить про те, що збільшення термінів схоплювання можливо, якщо тільки 78 один з взаємодіючих факторів хі • х3 буде перебувати на верхньому рівні варіювання, а інший на нижньому. Аналізуючи рівняння регресії (3.4) робимо висновок про те, що збільшення періоду формування структури буде досягатися при X] = х3 = 1. При цьому вплив параметра хі на збільшення періоду формування структури вище, так як значення коефіцієнта більше. Знак «+» перед коефіцієнтами взаємодії Хі • х3, х2 • х3 говорить про те, що збільшення періоду формування структури можливо, якщо тільки взаємодіючі фактори будуть перебувати на верхньому або нижньому рівні одночасно. Міцність при стисненні і міцність на розтяг при згині у віці 2 діб (рівняння 3.5, 3.6) знаходяться в лінійній залежності від 3-х параметрів: зі збільшенням часу помелу і кількості МеШих 5581Б в мікронаповнювачі вони підвищуються, а при збільшенні вмісту мікронаповнювача в цементній системі зменшуються. При цьому вплив параметра Хі (час активації) на збільшення міцності при стисненні і міцності на розтяг при згині сильніше, так як значення коефіцієнта більше. Знак «-» перед коефіцієнтами взаємодії в рівнянні (3.5) свідчить про те, що збільшення міцності при стисканні у віці 2 діб можливо, якщо тільки один з взаємодіючих факторів в парах хі • х2, Х] • х3 буде перебувати на верхньому рівні варіювання, а інший на нижньому. Знак «+» перед коефіцієнтами взаємодії х2 • х3 в рівнянні (3.6) говорить про те, що збільшення міцності при вигині у віці 2 діб можливо, якщо тільки взаємодіючі фактори будуть перебувати на верхньому або нижньому рівні одночасно. У рівняннях міцності у віці 7 і 28 діб спостерігається, що встановлені закономірності зберігаються. Поява квадратів при коефіцієнті Хі (час активації) в рівнянні 3.5-3.7, 3.9-3.10, при коефіцієнті х2 (кількість мікронаповнювача в цементній системі) в рівняннях 3.5-3.10 і при коефіцієнті х3 (кількість МеШих 5581Б в мікронаповнювачі) в рівнянні 3.10 свідчить про тому, що існують певні значення цих коефіцієнтів, при яких міцність буде максимальною. Позитивний вплив оптимальної кількості мікронаповнювача на міцність при стисненні композиційного в'яжучого у віці 28 діб нормального твердіння обумовлено [56]: - створенням в результаті механохімічної активації мікронаповнювача, здатного до гідратаційної взаємодії з портландцементом і формування міцності цементного каменю. Методом РФА встановлено зміну фазового складу відсіву після механохімічної активації. На рентгенограмі, представленої на мал. 3.6, відсутні первинні піки гідросилікатів кальцію, що свідчить про їх перехід в аморфну форму; 79 Я*л:: б і------------ і....... ...................і-..................... ........ ........ ........ і....... і...... ...........і——і.... ........ ......................... .;. ............. .і і........................ .? « 5 »5 12 *** 16 «8 20 22 2 і 26 21 ЗО 32 1-і Ш 36 40 П 44 *3 43 5« 62 54 $$ 58 60 62 Й4 № <56 <3 ма'̂ -гой а $. кс-к>їояї?0: ШсГ = 0.(>і- * «ооваь.Д макс<№*с»бим« »1506, Мал. 3.6 - Рентгенограма отриманого мікронаповнювача (склад №5) - методом ІЧ-спектроскопії виявлено зміну складу відсіву дроблення щебеню, підданого механохімічній активації. ІЧ-спектри (малюнки 3.7, 3.8, 3.9) мають відмінності, що виражаються в зміні інтенсивності смуг поглинання в інтервалі частот 3500- 2500 см"1, 1100-1000 см"1, 900-750 см'1. Зміна високочастотної смуги поглинання в інтервальній області 3000- 2800 см'1 після механохімічної активації свідчить про наявність у мікронаповнювачів альдегідних сполук, що пояснюється присутністю карбонільних груп в структурі зразка. Збільшення піку в області 1100-1000 см'1 додатково вказує на появу цих органічних сполук. Зміна контуру поглинання в діапазоні частот 900-750 см'1 пов'язано з перетворенням крем'яних з'єднань, що пояснюється аморфізацією поверхні при механохімічній активації; Мал. 3.7 - ІЧ-спектр відсіву до активації 80 Мал. 3.8 - ІЧ-спектр мікронаповнювача дроблення після активації (час активації -150 хв., дозування МеШих 5581Б - 0,5%) Мал. 3.9 - Низькочастотна область ІЧ-спектрів в розтягнутому вигляді: 1 - відсів дроблення до активації; 2 - мікронаповнювач при 150 хв. активації з 0,5% МеШих 558ІБ. - водоредукуючою здатністю мікронаповнювача внаслідок меншої кількості води замішування, при цьому утворюється якісна мікроструктура цементного каменю з меншою кількістю пір і мікродефектів; - механічним заповненням пустот в цементному камені внаслідок різної дисперсності цементу і мікронаповнювача. Методом лазерної дифракції отримані криві, представлені на рис 3.10. Мал. 3.10 - Накладення розподілу часток за розміром мікронаповнювача (1, склад №5) і ЦЕМ І 42,5Б (2) 81 Висновки за розділом 3. 1. Теоретично обґрунтовано можливість застосування щебеню з рециклінгового бетону в самоущільнювальних бетонних сумішах. 2. Щебінь з дробленого бетону фр.5-10 мм, отриманий лабораторним шляхом, відрізняється різноманітністю зерен за складом і структурою. Зерна щебеню переважно складаються з цементно-піщаного розчину і цементно-піщаного розчину, налиплого на первинний великий заповнювач в кількості 91,7% від загального змісту зерен. Зерна щебеню мають дефектну структуру в вигляді шорсткостей, нерівностей, тріщин. 3. Обраний лабораторний спосіб дроблення бетонного брухту дозволяє отримувати щебінь фр.5-10 мм з кількістю зерен пластинчастої (лещадної) і голчастої форми в кількості 22,3%. 4. Водопотреба щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, що визначається ультразвуковим методом і характеризується коефіцієнтом водопотреби, становить 0,075. Щебінь відрізняється підвищеною водопотребою. 5. Коефіцієнт міцності заповнювача R3an для щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, що виражає відношення міцності бетону на стиск на досліджуваному заповнювачі до міцності бетону на використовуваному кварцовому піску, у віці 2 діб склав 0,91; у віці 7 діб - 0,91; у віці 28 діб - 0,88. Даний щебінь ефективно застосовувати в малощебеночних, литих і самоущільнювальних бетонах. 5. Теоретично обґрунтовано можливість отримання ефективного мікронаповнювача для самоущільнювального бетону з відсіву дроблення щебеню з бетонного брухту. 6. Проаналізовано отримання мікронаповнювача за допомогою застосування механохімічної активації відсіву дроблення щебеню спільно з сухим суперпластифікатором Melflux 558IF для самоущільнювального бетону. 7. Проаналізовані отримані математичні моделі властивостей композиційного в'яжучого, що складається з портландцементу ЦЕМ І 42,5Б і мікронаповнювача, що залежать від часу активації в вібромлині початкового відсіву дроблення, кількості Melflux 558IF, що вводиться при активації, і змісту мікронаповнювача в композиційному в'яжучому. 8. В цементній системі позитивна роль мікронаповнювача обумовлена поліпшенням мікроструктури цементного каменю внаслідок водоредуціювання цементної системи, формування щільної упаковки частинок полідисперсного композиційного в'яжучого і гідратаційної взаємодії портландцементу ЦЕМ І 42,5Б з мікронаповнювачем. 82 РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТА СКЛАДІВ БЕТОНУ З ЕФЕКТОМ САМОУЩІЛЬНЕННЯ ДЛЯ МОНОЛІТНИХ ПІДЛОГ ПРОМИСЛОВИХ БУДІВЕЛЬ ТА ПАРКІНГІВ 4Л Визначення складу досліджуваного бетону з вторинних матеріалів Одним з найголовніших чинників, що забезпечують експлуатаційні властивості бетону, є правильне визначення його складу. Підбір складу самоущільнювального бетону визначався математико-статистичним методом. Залежність «склад - структура - властивості» представлена у вигляді багатофакторних математичних моделей. Для узгодженості між декількома математичними моделями необхідні єдині аргументні характеристики. В якості таких величин застосовувалися структурні характеристики самоущільнювального бетону, які визначаються до кінця періоду формування його структури [66]: 1. Об'ємна концентрація в'яжучого, що розглядається як сума цементу і мікронаповнювача (С), яка визначає макроструктуру, тобто складання бетону як конгломерату, виражається в частках від обсягу бетону; 2. Істинне водов’яжуче відношення (\У) має вирішальний вплив на макро- і мікроструктуру, зокрема, на обсяг і характер пор в цементному камені, і якість контактної зони між цементним каменем і заповнювачем [20]; 3. Ступінь гідратації в'яжучого (а), яка показує зміну міцності цементного каменю в процесі твердіння. Кількість новоутворень в цементному камені прямо пропорційно ступеня гідратації (а), чисельно дорівнює відношенню прореагованої з водою частини в'яжучого до загальної маси в'яжучого [51]. В кінці періоду формування структури об'ємна концентрація в'яжучого (С) складається з абсолютного обсягу в'яжучого і води. У цей період утворюється своєрідна «матриця», в якій буде проходити подальша гідратація [52, 69]. Відповідно до структурної теорії, всі основні властивості бетонів є функцією С, \¥ і а. Величина С показує співвідношення між в'язким і заповнювачем і може бути прийнята в якості макроструктури. Величини XV і а спільно визначають обсяг пір в бетоні даного віку, тобто характеризують мікроструктуру бетону. Однак мікроструктура включає також відомості про будову цементного каменю, заповнювача і контактного шару між ними. При розгляді макроструктури виділяють наступні основні елементи: великий і дрібний заповнювачі, цементний камінь і контактну зону між цементним каменем і заповнювачем. Виникнення контактної зони між цементним каменем і заповнювачем пов'язане з тим, що в бетонній суміші зерна заповнювача поділяють в'яжуче тісто на мікрооб'єми. У зв'язку з цим, формування структури цементного каменю і контактної зони відбувається в 83 тонких шарах. Заповнювач має суттєвий вплив на розподіл води в бетонній суміші [52,69,70]. Для найбільш повного прогнозування характеристик самоущільнювального бетону і бетонної суміші при підборі складу враховані такі фактори: 1. Коефіцієнт R3an, який виражає відношення міцності на стиск бетону, отриманої з бетонної суміші на досліджуваному заповнювачі, до міцності бетону, приготовленого на використовуваному кварцовому піску; 2. Коефіцієнти водопотреби наповнювачів Кзап - піску і щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, які визначені ультразвуковим методом; 3. Вплив на основні характеристики самоущільнювального бетону кількості суперпластифікатора Sika ViscoCrete Е55. Особливістю структурної теорії бетону, що має практичне значення, є те, що реологічні і технічні властивості бетонної суміші, а також фізико-механічні властивості затверділого бетону (міцності, деформативні, експлуатаційні властивості) розглядаються в залежності від одних і тих же аргументних величин С, W і а. Застосування даних структурних величин дозволяє активно використовувати різні комп'ютерні програми для розрахунку та оптимізації складу самоущільнювального бетону. 4.2 Підбір кількості суперпластифікатора ViscoCrete Sika. Суперпластифікатор полікарбоксилатного типу ViscoCrete Е55 Sika активно впливає на основні властивості бетонної суміші і бетону. Незначне збільшення або зменшення кількості суперпластифікатора веде до зміни властивостей бетонної суміші та бетону, що пов'язано з різним водовмістом суміші, характером пористості, мікроструктурою, втратою однорідності через розшарування. Отже, необхідно встановити вплив кількості суперпластифікатора ViscoCrete Е55 Sika на відповідні властивості бетонної суміші і бетону. На першому етапі встановлювався допустимий інтервал змісту суперпластифікатора ViscoCrete Е55 Sika, що забезпечує необхідне самоущільнення бетонної суміші без втрати однорідності суміші і відсутності седиментації. Для цього проводилося дослідження реологічних властивостей композиційного в'яжучого. Кількість мікронаповнювача в композиційному в'яжучому розраховувалося спільним рішенням рівнянь нормальної густоти (3.1) і міцності при стисканні у віці 28 діб (3.9) при двопараметричній умові: Нормальна густота мінімальна, міцність R ^s,- максимальна, у = 25,432 -1,495-х, -0,377-х2 - 0,988 • х3+ 0,239-х,2 -0,317- x32-0,366-x,-x3 + 0,421- х2- х3 (3.1) у = 45,528 + 6,698 • х, - 2,518 • х2 + 1,682 • х3 - 1,734 • х ,2 - 2,219 • х22-2,028-х,-х2 (3.9) Вирішуючи спільно ці два рівняння, знаходимо, що кількість мікронаповнювача склала 22% в композиційному в'яжучому, отриманого при активації відсіву дроблення в вібромлині протягом 150 хв. з вмістом 0,5% 84 Melflux 5581F від маси відсіву дроблення. У дослідах застосовувалося композиційне в'яжуче з постійним водов’яжучим відношенням, рівним 0,25. Необхідний зміст суперпластифікатора Silca ViscoCrete Е55 у вигляді водної дисперсії підбиралось з урахуванням змісту пластифікувальної добавки Melflux 5581F в мікронаповнювачі, і склало 0,15-0,6% рідкої добавки від маси композиційного в'яжучого. Поведінка невібруємих сумішей описується рівнянням Бінгама [33]: , dy Т = Т ° +11'ЇЇ7’ (4.1) де т0- максимальне напруження зсуву; г\ - пластична в'язкість; dy/dt - швидкість деформації зсуву. Таким чином, т0 і ц є головними реологічними параметрами, які оцінюють властивості сумішей в невібріруємому стані. Визначення реологічних властивостей: граничної напруги зсуву т0 (Па) і пластичної в'язкості т| (Па-с) проводили на ротаційному віскозиметрі «Reotest». Швидкість зсуву у залишалася незмінною і склала 0,166 с'1. Склади композицій: ЦЕМ І 42,5Б-780г, МН-220г, вода - 250 г. Значення реологічних властивостей приведені в табл. 4.1. Таблиця 4.1 - Склад і реологічні властивості композитів. Реологічн і властивості К ількість S ika V iscoC rete Е55 в % О пис П ластичн а від м аси в 'яж учого Г раничне напруж ення в 'язк ість г|, П а • с зсуву то, П а 0 (контрольний) 59 361,1 Агрегативна стійкість 0,15 20,1 126,6 Агрегативна стійкість 0,2 15,6 98,3 Агрегативна стійкість 0,25 13,2 77,9 Агрегативна стійкість 0,3 11,7 72,5 Агрегативна стійкість 0,35 10,3 66,3 Агрегативна стійкість 0,4 7,3 46,9 Седиментація суспензії 0,45 6,2 41,2 Седиментація суспензії 0,5 5,8 32,1 Седиментація суспензії 0,55 4,9 27,2 Седиментація суспензії 0,6 4,9 27,0 Седиментація суспензії З літературних джерел встановлено, що для досягнення самоущільнення максимальне напруження зсуву тіста повинно знаходитися в інтервалі 10...20 Па. Пластифікована до такої міри суміш буде реологічною матрицею самоущільнювальної бетонної суміші [174-176]. Також для підтримки агрегативної стійкості необхідною умовою є наявність певної пластичної в'язкості системи. На мал. 4.1. представлені залежності реологічних 85 властивостей від кількості Sika ViscoCrete Е55. На них заштриховані області відповідають: а) - області недостатнього пластифікування тіста; б) - області ефективної роботи хімічної добавки, що забезпечує необхідні реологічні властивості; в) - області неприпустимого змісту Sika ViscoCrete Е55, відповідні втрати агрегативної стійкості суспензії, при якій відбувається седиментація. Збшта Sika % Мал. 4.1. - Залежності реологічних властивостей композиційного в'яжучого (то і Г|) від кількості полікарбоксилатного суперпластифікатора Silca ViscoCrete Е55: а - область недостатнього пластифікування, б - область ефективної роботи суперпластифікатора, в - область неприпустимого змісту суперпластифікатора, втрата агрегативної стійкості. Аналіз даних табл. 4.1. і мал. 4.1. показав, що досягнення самоущільнення бетонної суміші на застосовуваних матеріалах при агрегативній стійкості системи можливо при вмісті пластифікатора Sika ViscoCrete Е55 в кількості 0,2- 0,35% рідкої добавки від маси композиційного в'яжучого. Цей склад був вибраний для подальших досліджень. 4.3. Розрахунок та оптимізація співвідношення між заповнювачами Раніше було встановлено, що використання щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм робить негативний вплив на міцність бетону на стиск. При постійних структурних характеристиках W, С, і а і встановленому коефіцієнті міцності заповнювача R3an, рівному 0,91; 0,91 і 0,88 у віці 2, 7 і 28 діб відповідно, підбір гранулометрії заповнювачів доцільно вести, виходячи з умов оптимального зернового складу. В якості критерію розглядається величина розбіжності (відхилення) від еталонного зернового складу. При підборі враховувалося, що для самоущільнення частка обсягів дрібного і великого заповнювачів повинна знаходитися в інтервалі від 45:55 до 50:50 об'ємних частин. Отже, частка піску в суміші заповнювачів г повинна знаходитися в 86 інтервалі від 0,45 до 0,50 за обсягом [72]. У багатьох джерелах наводяться рекомендації по гранулометрії заповнювачів для самоущільнювальної бетонної суміші (субс). Як правило, в основі вимог до гранулометричного складу наповнювачів знаходиться крива Фулера [79], рівняння якої має вигляд: де А]’- повний прохід через умовне сито з розміром чарунки ОіуОтах - найбільший розмір зерна в суміші; п - коефіцієнт розподілу, рівний 0,5. Гранулометричний склад проектованого самоутцільнювального бетону підбирався з умов максимального наближення (мінімальної розбіжності кривих) до еталонної кривої розподілу часток Фулера в інтервалі об'ємних співвідношень г = 0,45-0,5 або в інтервалі масових співвідношень гм = 0,53-0,58, тобто з урахуванням щі• льності• матері• алів: піску рп = 2,64 т/м З, щебеню з о о дробленого бетону фр. 5-10 мм рщ = 1,9 т/м . Для автоматизації розрахунків, а також обчислення оптимального співвідношення дрібного і крупного заповнювача, застосовувався програмою комплекс «Огапитеїгіс у.5.0» [57]. В основі розрахунку програми лежить інтелектуальний алгоритм послідовного зменшення (розбіжності) розрахункового і еталонного зернових складів. Отримані результати представлені в табл. 4.2. Таблиця 4.2 - Гранулометричні характеристики. В ихідн і дані: П овний прохід через сито № у , % за масою М атеріали 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 Дно Щебінь з дробленого 99,6 94,9 53,3 6,3 1,4 1,і 1,3 1,0 0,8 0 бетону фр.5-10 мм Пісок 100 100 100 99,8 96,9 91,9 78,3 41,9 5,6 0 Відхилення Гранулометричний склад суміші заповнювачів, повний прохід через сито № у% по масі від кривої Фулера,% Еталоний за 100 89,44 77,46 63,25 44,72 31,62 22,45 15,87 11,31 0 0 Фулером При г = 0,45 99,78 97,19 74,31 48,37 44,37 42,12 35,95 19,4 2,96 0,22 14,87 гм = 0,53 При г = 0,46 99,78 97,25 74,78 49,31 45,33 43,03 36,72 19,81 3,01 0,22 14,27 гм = 0,54 При г = 0,47 99,79 97,3 75,25 50,24 46,28 43,93 37,49 20,22 3,06 0,21 15,04 гм = 0,55 87 При Г = 0,48 99,79 97,35 75,72 51,19 47,25 44,85 38,27 20,64 зд 0,21 15,82 гм = 0,56 При Г = 0,49 99,8 97,4 76,2 52,14 48,22 45,77 39,05 21,05 3,15 0,2 16,6 гм = 0,57 При г = 0,50 99,8 97,45 76,63 53 49,1 46,6 39,76 21,43 3,2 0,2 17,31 гм = 0,58 Оптим. склад 99,78 97,24 74,69 49,12 45,14 42,85 36,57 19,73 3 0,22 14,12 г = 0,458 гм = 0,54 Виходячи з даних табл. 4.2, встановлена найменша розбіжність від еталонної кривої Фулера на 14,12% при г = 0,458 за обсягом або Rm = 0,54 за масою. Отже, при такому співвідношенні використовуваних матеріалів буде забезпечуватися найбільш щільна упаковка зерен заповнювачів при дотриманні умов плинності. Отримані результати були використані при подальших розрахунках. 4.4 Аналіз моделювання процесів Для отримання статистико-математичних залежностей властивостей самоущільнювального бетону від його складу і структури були проведені експерименти з застосуванням трьохфакторного плану. Для розрахунку трьохфакторного плану і прискореної обробки результатів планування експерименту застосовувався програмний комплекс «РІапЕхр - трьохфакторний планований експеримент «BD13» v.1.0» [57, 74]. Як варійованих факторів, що роблять найбільший вплив на технологічні властивості і експлуатаційні характеристики самоущільнювального бетону, приймалися структурні характеристики: об'ємна концентрація композиційного в'яжучого (С), що складається з ЦЕМ І 42,5Б і оптимальної кількості отриманого мікронаповнювача, справжнє водов’яжуче відношення (W), а також кількість полікарбоксилатного суперпластифікатора Sika ViscoCrete Е55 (SVC Е55). При виборі рівнів варіювання враховувалися особливості проектування самоущільнювального бетону, що забезпечують стабільність його технологічних характеристик. При цьому враховувалося, що для зменшення внутрішнього тертя між частинками заповнювача, кількість в'яжучого повинно о знаходитися в межах 550-650 кг/м . У дослідженні враховувався активний вплив заповнювача на участь у формуванні структури бетону. У розрахунках використовувалися певні раніше коефіцієнти водопотреби піску і щебеню з дробленого бетону 5-10 мм. Частка піску в суміші заповнювачів залишалася незмінною у всіх складах - г = 0,458 (RM = 0,54). Кількість води приймалося з 88 урахуванням іммобілізації частини води заповнювачем протягом періоду формування структури. Заповнювачі іммобілізують близько 80-90% води від максимального значення водопотреби перші 20-30 хвилин [58], тому проведення випробувань для визначення технологічних властивостей бетонної суміші здійснювалося після закінчення зазначеного часу. Час збереження технологічних властивостей в часі для всіх самоущільнювальних бетонних сумішей становило понад 120 хвилин, зменшення плинності в зазначеному часовому проміжку складала не більше 5% [59, 60]. Фактори і рівні їх варіювання представлені в табл. 4.3. План експерименту представлений в табл. 4.4. Таблиця 4.3 - Фактори і рівні їх варіювання. Фактор Рівні варіювання Позначення Інтервал Найменування Натуральні Кодовані -1 0 + 1 варіювання одиниці одиниці 0,355 С долі X] 0,33 0,38 0,025 співвідношення Х2 0,25 0,26 0,27 0,01 Кількість БУС Е55 % Хз 0,2 0,275 0,35 0,075 від маси в'яжучого Таблиця 4.4 - План експерименту М ат риця п ланування Н атуральн і зн ачен ня зм ін ни х № складу X! х 2 Х3 С W К ількість SVC Е55 в % від м аси в 'яж учого 1 -1 -1 -1 0,32 0,25 0,2 2 + 1 -1 -1 0,38 0,25 0,2 3 -1 + 1 -1 0,32 0,27 0,2 4 -1 -1 + 1 0,32 0,25 0,35 5 -1 0,19 0,19 0,32 0,2619 0,28925 6 0,19 -1 0,19 0,3557 0,25 0,28925 7 0,19 0,19 -1 0,3557 0,2619 0,2 8 -0,29 +1 +1 0,3413 0,27 0,35 9 +1 -0,29 +1 0,38 0,2571 0,35 10 +1 +1 -0,29 0,38 0,27 0,25325 89 Згідно з розрахунком і планом експерименту склади і технологічні властивості самоущільнювальних бетонних сумішей представлені в табл. 4.5, бетонів в табл. 4.6. Таблиця 4.5 - Склади і властивості самоущільнювальних бетонних сумішей. Мат риця планування Натуральні значення змінних № складу С W Кількість SVC х , х 2 Х3 Е55 в % від маси в’яжучого 1 -1 -1 -1 0,32 0,25 0,2 2 +1 -1 -1 0,38 0,25 0,2 о -1 +1 -1 0,32 0,27 0,2 4 -1 -1 +1 0,32 0,25 0,35 5 -1 0,19 0,19 0,32 0,2619 0,28925 6 0,19 -1 0,19 0,3557 0,25 0,28925 7 0,19 0,19 -1 0,3557 0,2619 0,2 8 -0,29 +1 +1 0,3413 0,27 0,35 9 +1 -0,29 +1 0,38 0,2571 0,35 10 +1 + 1 -0,29 0,38 0,27 0,25325 Примітка: водовідділення всіх складів бетонних сумішей не перевищувало 0 ,8%. Таблиця 4.6 - Властивості самоущільнювальних бетонів. № Міцність на стиск, МПа Міцність на розтяг складу Морозостійкість, Водонепроник 3 доби 7 діб 28 діб при згині у віці 28 F, цикли ність,\У, МПа діб, МПа 1 16,0 26,2 33,6 3,52 100 0,4 2 21,8 34,3 42,9 4,17 150 0,8 3 14,5 24,6 31,6 3,37 75 0,4 4 17,0 29,0 36,4 3,77 75 0,6 5 16,5 27,6 35,8 3,79 75 0,6 6 19,7 33,2 40,8 3,99 150 0,6 7 18,1 32,2 38,9 3,88 150 0,8 8 17,5 30,3 37,7 3,83 100 0,6 9 21,9 37,0 45,0 4,33 200 0,8 10 20,7 33,6 41,5 4,18 150 0,8 При комп'ютерній обробці аналізів результатів експерименту отримані адекватні поліноміальні математичні моделі, які описують властивості самоущільнювального бетону [162]. Дані моделі після виключення незначущих коефіцієнтів представлені в табл. 4.7. 90 Таблиця 4.7 - Математичні моделі властивостей самоущільнювального бетону. № Вихідний параметр (у) Рівняння регресії п/п 1 Розпливання зворотного конуса, у— 604 ,85б+ 25 ,66 -х і+ 3 ,66 -х2+ 2 3 ,535-х3- 11,236-х(2 мм +7,489*х22 + 8 ,7 5 5 -х ,2 - 4,464*хГх 3 - 4 ,5 1 9-х2-х3 (4.3) у = 12 ,666 -3 ,3 1 7 -х і -1 ,6 5 3 -х2 -0 ,978-х3-0,129 - x f +0,775 2 В’язкість Т5оо,сек ■Х22+ 0 ,602 -х 32+0,753 -Xj -x2-0 ,569 -xrX 3-l,065-x2-X3 (4.4) у= 18 ,641+ 2 ,607-хі -0 ,694 -х2+ 0 ,49-х3 3 доби (4.5) Міцність на стиск, у = 32 ,445+ 3 ,983 -х ,-0 ,92 -х2+1,039-х3-0,865-х і2- 3 7 діб МПа 1,175-х22 (4 .6) у= 3 9 ,8 7 6 + 4,15-Х! - 1 ,085 -х2 + 1,179-х3 -1 ,226-хЕ 28 діб ........................................................................................... (4-7) у= 3 ,994+ 0 ,2 7 9 -х г 0 ,049 •х2+0,09*хг 0,117-х22-0 ,054 4 Міцність на розтяг при згині у •Х)-х3 (4.8) віці 28 діб, МПа у= 134,96 + 4 6 ,4 2 5 -хі - 9 ,442-х2- 20 ,067-х+ + 5 Ь, циклів 15 ,083-хгхз (4.9) у = 0,571 + 0 ,1 1-хі -0,046*х3 + 0 ,134-х і2 -0 ,0 6 8 -х гх 3 - 6 \у, МПа 0,124-хг х3 (4 .10) Аналіз отриманих рівнянь математичних моделей показує, що найбільший вплив на досліджувані властивості самоущільнювального бетону надає фактор Хі - величина об'ємної концентрації в'яжучого тіста/каменю (С) - причому зі збільшенням С підвищується значення відповідного вихідного параметра у всіх випадках, крім зменшення показника в'язкості суміші. Величина розпливання зворотного конуса (рівняння 4.3) залежить від усіх варійованих факторів. Основний вплив на розплив, крім значення С, надає кількість хімічної добавки Sika ViscoCrete Е55 - фактор х3, зі збільшенням вмісту якого, відповідно, збільшується розплив бетонної суміші. Спостерігається взаємодія факторів С - SVC Е55 і W - SVC Е55, а знак «-» перед коефіцієнтами взаємодії свідчить про те, що збільшення розпливання можливо тільки, якщо один з взаємодіючих факторів буде перебувати на верхньому рівні варіювання, а інший - на нижньому. Міцність при стисканні самоущільнювального бетону в віці 3 діб знаходиться в лінійній залежності від його структурних характеристик. Зі збільшенням значень С і SVC Е55 вона збільшується, a W зменшується, що не суперечить загальноприйнятим закономірностям і пояснюється зміною пористості структури самоущільнювального бетону зі зміною водовмісту суміші. Рівняння міцності на стиск у віці 7 і 28 діб показують, що встановлена закономірність не порушується, однак поява квадратів при коефіцієнті хі (С) в рівнянні 4.6 і при коефіцієнті х2 (W) в рівняннях 4.6, 4.7 свідчить про те, що 91 існують певні значення цих коефіцієнтів, при яких міцність буде максимальною. Двохфакторна квадратична модель міцності при стисненні в 7- ми добовому віці є однією з поверхонь другого порядку. Для рівняння 4.8, що описує міцність на розтяг при згині самоущільнювального бетону, справедливі ті ж лінійні залежності, що і для рівнянь міцності на стиск. Крім того, спостерігається незначна взаємодія факторів С і SVC Е55, причому як і в рівнянні 13, знак «-» демонструє, що досягнення максимального вихідного параметра можливо тільки при різнознаковій комбінації чинників. Можна зробити висновок, що для отримання високих показників міцності на розтяг при згині, кількість пластифікувального компонента в самоущільнювальній бетонній суміші SVC Е55 і Melflux 558IF, що входить до складу МН, повинна знаходитися в певних обмежених інтервалах. Аналізуючи рівняння 4.9, відповідне вихідному параметру кількості циклів заморожування і відтаювання за першим базовим методом за ДСТУ, можна зробити висновок, що морозостійкість отриманого самоущільнювального бетону, в основному, залежить від об'ємної концентрації в'яжучого С і від надмірного водов’яжучого відношення W. Дані характеристики визначають будову бетону, особливо кількість і характер пір, так як вони будуть визначати обсяг і розподіл льоду, що утворюється в тілі бетону при негативних температурах, а отже, і значення виникаючих напружень і інтенсивність протікання процесу ослаблення структури бетону [37]. Збільшення циклів заморожування і відтаювання самоущільнювального бетону в варійованих діапазонах можливо при збільшенні С і зменшенні W. У математичної моделі також присутня описана вище взаємодія факторів С і SVC Е55. Розглядаючи математичну модель (4.10), можна зробити висновок, що основне значення на величину водонепроникності самоущільнювального бетону надає фактор x t - величина С, зі збільшенням якого, відповідно, зростає параметр водонепроникності, за умови, що інші фактори зафіксовані на основному рівні. Наявність квадрата при Хі (С) вказує, що існує значення фактора, при якому водонепроникність в заданих інтервалах варіювання буде максимальною. Знак «-» перед коефіцієнтами взаємодії факторів Хі і хз, Х2 і х3 демонструє те, що збільшення водонепроникності бетону можливо тільки, якщо один фактор буде перебувати на верхньому, а інший на нижньому рівні варіювання. На підставі отриманої експериментально- статистичної математичної моделі (4.7) побудована номограма міцності на стиск самоущільнювального бетону у віці 28 діб, представлена мал. 4.2. 92 0§*ш іж ж ш е тр о д х вйщучвго (С) 031 0315 03Т 0365 0355 035 0,345 0,34 0355 033 й Міішкть :ари глістшт, МШ Мал. 4.2 - Номограма міцності самоущільнювального бетону на стиск у віці 28 діб. Дана номограма, спільно з отриманими моделями, представленими в табл. 4.6, може використовуватися при підборі складів самоущільнювального бетону з комплексом заданих властивостей. 4.5 Визначення складів бетонів на двох прикладах конкретного виконання. Виявлені залежності дозволяють отримати самоущільнювальні бетонні суміші і бетони заданої структури і властивостей на застосовуваних матеріалах. Принцип підбору складу заснований на спільному розгляді отриманих математичних моделей. Причому вибираються відповідні моделі необхідних властивостей самоущільнювальної суміші та/або бетону. Структурні характеристики, а також кількість суперпластифікатора Біка УібсоСгєіє Е55 знаходяться шляхом спільного рішення відповідних рівнянь. При цьому отримані значення повинні одночасно задовольняти вимогам, що пред'являються. Для оптимізації підбору складу можливе застосування різного прикладного програмного забезпечення, що дозволяє автоматично зробити відповідні розрахунки. Для знаходження структурних характеристик самоущільнювального бетону також використовується і графічний спосіб вирішення із застосуванням отриманої номограми. Даний спосіб заснований на поєднанні ізоліній структурних характеристик в залежності від необхідної міцності самоущільнювального бетону при стисканні. Прийнявши необхідну міцність, по номограмі визначаються структурні характеристики і кількість суперпластифікатора Біка У і б с о С г є ї є Е55. Подальший підбір складу бетону проводиться методом абсолютних обсягів з урахуванням встановлених в роботі закономірностей, визначених значень водопотреби застосовуваних матеріалів, а також раціонального співвідношення між піском і щебенем з дробленого бетону фр.5-10 мм. Алгоритм розрахунку представлений в прикладах 1, 2. ПРИКЛАД 1: Визначити склад самоущільнювального бетону на досліджуваних матеріалах з наступними експлуатаційними характеристиками: клас С25/30, марка за морозостійкістю БДОО, клас по водонепроникності УЛ>. 93 РІШЕННЯ. Для забезпечення класу С25/30, необхідна міцність бетону без визначення характеристик його однорідності за міцністю повинна становити Я, > 38,4 МПа, Схема Г. Для відповідності марки бетону по морозостійкості ЕДОО кількість циклів заморожування і відтаювання зразків при випробуванні першим базовим методом має становити 150. Клас бетону по водонепроникності \¥6 відповідає величині тиску води 0,6 МПа серії зразків, при якому на чотирьох з шести зразках не спостерігалосяп росочування води за методом «мокрої плями». 1. Вирішуючи спільно рівняння міцності самоущільнювального бетону на стиск у віці 28 діб (4.7), морозостійкості (4.9) і водонепроникності (4.10), знаходимо оптимальні значення структурних характеристик і кількість хімічної добавки 8іка УізсоСгеїе Е55. 38,6 = 39,876 + 4 ,15-Хі - 1,085-х2 + 1,179-х3 -1,226-х22; 150 = 134,96 + 46,425-Х[-9,442,х2-20,067-х22+ 15,083-х,-х3; 0,6 = 0,571 + 0,11-Х! -0,046-х.з + 0,134-х12-0,068-х1-х3 -0,124-х2-х3 Вирішуючи систему рівнянь, отримуємо такі значення змінних: хі = 0,24, х2 = 0 , х3 = 1. Переводимо отримані значення параметрів в натуральний вигляд використовуючи формули: _ ( С - 0,3 5 5) 0,025 х2z = ^о,о^і , (v 4.12)' _ (SVC Е55—0,275) , л , Обчислюючи, отримуємо: С = 0,361; W = 0,26; SVC Е55 = 0,35% від маси в'яжучого. При даних значеннях виконується забезпеченість всіх необхідних характеристик бетону. 2. Знаходимо витрату в'яжучого з мікронаповнювачем за формулою: С - 1 0 0 0 В Va + W (4.14) о де Ув - питомий об'єм в'яжучого (м /т), який визначається за формулою: Кв = ------- ^ , ан'Рн + (1~ан)'Рц (4.15) де ан - масова частка оптимальної кількості мікронаповнювача, що забезпечує максимальну міцність композиційного в'яжучого при мінімальному значенні нормальної густоти, рівному 0,22; рн - істинна щільність мікронаповнювача 2,8 т/м з ; рц - дійсна густина портландцементу Ц ЕМ 142,5Б, дорі• внює 3,1 т/мз . тоді• В =0,361 -1000/(0,33+0,26) = 612 кг/м3, з якого Ц = 477 кг/м3, МН =135 кг/м3. 94 3. Визначаємо кількість суперпластифікатора Sika ViscoCrete Е55. SVC Е55 = 0,35% від В = 2,14 кг/м3. 4. Визначаємо дійсну густину суміші наповнювачів в самоущільнювальному бетоні, виходячи з умови максимально щільної упаковки по рівнянню Фулера: Р и с т ' ^ п ^ Р к у с ' Р и с т (4.16) де рістп - дійсна густина піску 2,64 г/см , ркусщ - щільність в шматку щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм 1,9 г/см З , - об'ємна концентраці• я (частка) пі•ску в суміші заповнювачів 0,458, 8Щ- об'ємна концентрація (частка) щебеню з дробленого бетону фр. 5-10 мм в суміші заповнювачів 0,542. ріст.см - (2,64- 0458+1,9- 0,542)/(0,458+0,542)- 2,24 т/м3. 5. Обчислюємо коефіцієнт водопотреби суміші наповнювачів за формулою: л г Рист' V ’ Вд + Ркус" Зщ' Вщ £\См Тгі о ГТщ Т' * Рист- П̂ + Ркус’ (4.1 7) де Вп - коефіцієнт водопотреби піску - 0,07, В п - коефіцієнт водопотреби щебеню з дробленого бетону фр. 5-10 мм - 0,075. Ксм=0,0723. 6. Визначаємо витрату заповнювачів виходячи з рівняння абсолютних обсягів і з того, що питомий обсяг води, іммобілізований заповнювачем, становить 0,8; за формулою: (іуС):Ру/? ю о о Чаал 1 + 0,8 • Ксм -рист І У и и ' а (1-0,361)'2,24 . з чзчаяпп = 1 + 0,8-0,0723-2,24 • 1000 = 1267 кг/м . (4.18) 7. Визначаємо витрату піску і щебеню з дробленого бетону фр. 5-10 мм, з: П = Язал-Гм, (4.19) П = 1267 • 0,54 = 684 кг/м3. Щ = Язап - П (4.20) Щ = 1267 - 684 = 583 кг/м3. 8.Обчислюємо витрату води замішування Взатв, що забезпечує самоущільнення бетонної суміші за формулою: Взатв = W • В + 0,8 • Ксм • Язап, (4-21) Взатв = 0,26 • 612 + 0,8 • 0,0723 • +1267 = 232 кг/м3. 9. Розрахункова середня щільність самоущільнювальної бетонної суміші складе: Р б .с = 477 + 135 + 2,14 + 684 + 583 +232 = 2113,14 кг/м3. 95 ПРИКЛАД 2. Визначити склад самоущільнювального бетону на досліджуваних матеріалах с межею міцності на стиснення в віці 28 діб нормального твердіння 43.5 МПа. РІШЕННЯ. 1. За номограмою 4.2, задавшись межею міцності на стиск у віці 28 діб, рівному 43.5 МПа і мінімальним значенням істинного водов’яжучого відношення, знаходимо кількість полікарбоксилатного суперпластифікатора Sika ViscoCrete Е55 і об'ємну концентрацію в'яжучого, які забезпечують виконання поставлених вимог до міцності бетону. Отримуємо: W = 0,25; SVC Е55 = 0,35% від маси в'яжучого; С = 0,371. Переводимо отримані значення в кодований вид, використовуючи формули (4.11-4.13), знаходимо: Хі=0,64, х2=-1, х3=1. Підставляючи отримані значення в рівняння (4.7), перевіряємо забезпеченість необхідної міцності бетону на стиск у віці 28 діб нормального твердіння 43,5 МПа. Rc* 28 = 39,876 + 4,15 • 0,64 - 1,085 • (-1) + 1,179 • 1 -1,226 • (-1)2 = 43,57 МПа > 43,5МПа, міцність забезпечується. 2. Знаходимо витрату в'яжучого з мікронаповнювачів за формулою (4.14): У = 640 кг/м3, з якого Ц = 500 кг/м3, МН =140 кг/м3. 3. Визначаємо кількість суперпластифікатора Sika ViscoCrete Е55. SVC Е55 = 0,35% від В = 2,24 кг/м3. 4. Визначаємо дійсну густину суміші наповнювачів в самоущільнювальному бетоні за формулою (4.16): р;ст см = 2,24 т/м3. 5. Обчислюємо коефіцієнт водопотреби суміші наповнювачів за формулою (4.17): Кем = 0,0723. о 6. Визначаємо витрату заповнювачів за формулою (4.18): цзап = +1248 кг/м . 7. Визначаємо витрату піску і щебеню з дробленого бетону фр. 5-10 мм за формулами (4.19, 4.20): П = 674 кг/м3, Щ = 574 кг/м3. 8. За формулою (4.21) обчислюємо витрату води замішування: Взатв = 232 кг/м . 9. Розрахункова середня щільність самоущільнювальної бетонної суміші складе: рб.с. = 500 + 140 + 2,24 + 674 + 574 + 232 = 2122,24 кг/м3. 96 Висновки за розділом 4 1. Підбір складу бетону визначався математико-статистичним методом. Залежність «склад - структура - властивості» представлена у вигляді багатофакторних математичних моделей. В якості єдиних аргументних характеристик, що описують всі властивості самоущільнювального бетону, застосовувалися структурні характеристики, які визначаються до кінця періоду формування його структури: об'ємна концентрація в'яжучого (С), дійсне водов’яжуче відношення (W) і кількість суперпластифікатора ViscoCrete Е55 Silca. 2. Встановлено, що досягнення самоущільнення бетонної суміші на використовуваних матеріалах при агрегативній стійкості системи можливо при вмісті Sika ViscoCrete Е55 в кількості 0,2-0,35% рідкої добавки від маси композиційного в'яжучого. 3. Підбір зернового складу суміші заповнювачів здійснювався з умов максимального наближення до еталонної кривої розподілу часток Фулера. Найменша розбіжність від еталонної кривої Фулера склало 14,12%, що отримується при вмісті частки піску в суміші заповнювачів г=0,458 за обсягом або гм = 0,54 за масою. 4. Проаналізовані отримані математичні моделі властивостей: самоущільнювальної бетонної суміші: розпливання зворотного конуса, в'язкості Т5оо а також самоущільнювального бетону: міцності на стиск у віці 3, 7, 28 діб нормального твердіння, міцності на розтягування при вигині, морозостійкості, водонепроникності, що залежать від структурних характеристик (С, W) і кількості суперпластифікатора ViscoCrete Е55 Sika. 5. На основі отриманої математичної моделі побудована номограма міцності самоущільнювального бетону на стиск у віці 28 діб нормального твердіння. 6. Представлені рекомендації щодо визначення складу самоущільнювального бетону на використовуваних сировинних матеріалах з заданими властивостями. 97 РОЗДІЛ 5. АНАЛІЗ ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ ПІДЛОГ ПРОМИСЛОВИХ БУДІВЕЛЬ ТА ПАРКІНГІВ НА ОСНОВІ ВТОРИННИХ МАТЕРІАЛІВ ТА ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ 5Л Аналіз критеріїв оптимізації проаналізованих складів бетону При влаштуванні підлог промислових будівель та паркінгів широке поширення набула технологія монолітного бетонування. В даний час існують різні технологічні рішення улаштування монолітних підлог з використанням бетону в якості підстилаючих шарів і у вигляді покриття. Монолітний бетон підстилаючих шарів і покриттів повинен задовольняти вимогам проекту і чинним нормативно-технічним документам, які ґрунтуються на ряді специфічних особливостей виготовлення, твердіння і експлуатації підлог промислових будівель та паркінгів. При бетонуванні необхідно домогтися максимально можливої рівності підлоги. При традиційній технології пристрою бетонних підлог з використанням напрямних і віброрейок рівність підлог в значній мірі визначається професіоналізмом укладальників бетону [182]. Застосування самоугцільнювальної бетонної суміші дозволить отримати рівну однорідну поверхню з меншими затратами праці за рахунок розтікання, видалення затисненого повітря і ущільнення суміші під дією власної ваги. Також застосування самоущільнювальної бетонної суміші дозволить підвищити продуктивність робіт за рахунок скорочення ряду технологічних операцій і можливості автоматизації виробництва шляхом застосування сучасних бетоноукладальних механізмів, що забезпечують автоматичний контроль рівня укладаємо!' бетонної суміші. Підбір складу самоущільнювального бетону проводиться індивідуально, виходячи з вимог проекту за встановленою раніше методикою. Твердіння бетонних сумішей неминуче супроводжується об'ємними змінами, викликаними фізико-хімічними процесами гідратації портландцементу. Найбільш значними є зменшення обсягу при твердінні в атмосферних умовах або при недостатній вологості середовища, яке отримало назву усадки бетону. Підвищена усадка може привести до появи тріщин в бетоні. Ризик появи збільшується в бетонних конструкціях з великою відкритою поверхнею, якими є підлоги виробничих будівель. Імовірність появи усадочних тріщин в монолітних підлогах зростає при використанні розроблених складів самоущільнювальної бетонної суміші через підвищений вміст в'яжучого і пористого крупного заповнювача з дробленого бетону фр.5-10 мм. Для запобігання утворення тріщин підлог з самоущільнювального бетону недостатньо застосування традиційних превентивних заходів у вигляді заходів по догляду за свіжоукладеним бетоном і пристрою усадкових швів. Необхідно 98 також введення в бетонну суміш оптимальної кількості компенсатора усадки у вигляді розширювальної добавки. При недостатній поверхневій міцності, а також для зменшення стирання бетону, в ряді випадків застосовуються сухі зміцнюючі суміші або топпінги. Сухі зміцнюючі суміші повинні задовольняти вимогам технічної документації заводів-виготовлювачів і забезпечувати при зміцненні бетону класу по міцності С 22,5 дотримання характеристик: - поверхнева міцність повинна бути не менше 40 МПа; - стираність повинна бути ■у # не більше 0,4 г/см ; - стійкість покриттів підлог до ударних впливів повинна бути не менше 15 кг. Використання чистих бетонних покриттів в промислових підлогах виробничих будівель затруднено через підвищену запиленість, викликану робочими впливами. Для попередження пилоутворення, а також для підвищення експлуатаційних властивостей необхідна обробка поверхні підлоги плівкотвірними або проникаючими складами, що представляють собою зміцнюючі просочення. Обробка поверхні бетону підлоги такими складами що запобігають вбирання бетоном агресивних рідин (бензину, масел і т.інш.), здатних зменшити довговічність конструкції. Плівкоутворювальні склади підрозділяються на матеріали на акриловій, латексній епоксидній або поліуретановій основі. Після набору міцності поверхня бетону покривається епоксидними поліуретановими лаками і фарбами. При цьому утворюється захисна плівка, істотним недоліком якої є обмежений термін експлуатації, в міру необхідності дані захисні покриття необхідно відновлювати. Проникаючі склади в більшості випадків кремніймістячі матеріали на водній основі: силікати, силани, сіліконати, силоксани. Дані склади заповнюють пори бетону, проникають в товщу матеріалу і вступають в хімічну реакцію з цементом, утворюючи високоміцні кристалічні сполуки, що є по суті хімічним зміцненням і ущільненням бетону. Після обробки свіжоукладеного або сухого бетону підлоги не тільки перестають покриватися пилом, а й набувають підвищену абразивну стійкість, ударну стійкість, а також стійкість до впливу агресивних середовищ і вологи [76]. Зміцнюючі просочення (плівкоутворювальні або проникаючі склади) повинні задовольняти вимогам технічної документації заводів виробників і забезпечувати при просочуванні поверхонь з бетону В22,5 дотримання характеристик: - поверхнева міцність по ДСТУ 22690-2015 «Бетони. Визначення міцності механічними методами неруйнівного контролю» повинна бути не менше 40 МПа; - стираність по ДСТУ «Бетони. Методи визначення стираності• » повинна бути не бі*льше 02,4 г/см . Як робочий склад самоущільнювального бетону прийнятий склад з прикладу 1 із структурними характеристиками: С = 0,361, \¥ = 0,26. Даний склад має наступні проектні значення: В30, Б1 200, \У6. На основі практичних уявлень даний склад 99 задовольняє вимогам до класу бетону більшості сучасних проектів по влаштуванню монолітних підлог виробничих будівель на основі бетону. Для знаходження найбільш повних параметрів даного складу за встановленими раніше математичним моделям підставляємо знайдені коріння з прикладу 1 в рівняння регресії 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8 і розраховуємо вихідні параметри. Дані представлені в табл. 5.1. Таблиця 5.1 - Властивості самоущільнювального бетону робочого складу № Найменування параметра Розрахункове значення п/п 1 Розпливання зворотного конуса, мм 642 2 В 'язкість' 500, СЄК 11,3 3 Міцності на стиск, 3 доби 19,8 МПа 7 доби 34,4 28 доби 42,1 4 Міцність на розтяг при згині у віці 28 діб, 4,14 МПа 5 Б, циклів 150 6 \у, МПа 0,6 Представлені дані в табл. 5.1 не дають повного уявлення про особливості даного самоущільнювального бетону, тому в цьому розділі вивчені властивості бетону, що визначають його експлуатаційну придатність при влаштуванні монолітних підлог виробничих будівель. 5.2 Аналіз підвищення експлуатаційних властивостей бетону з добавками Для компенсації усадкових деформацій в робочий склад самоущільнювального бетону була введена розширювальна добавка РД-Н [77]. Розширювальна добавка РД-Н являє собою тонкоподрібнену суміш мінеральних компонентів. Методом РФА встановлено мінералогічний (мал.5.1, табл.5.2) і хімічний склад (табл.5.3) розширювальної добавки РД-Н. І— К М 4* Ш Ж. Н Ы 58 Мал. 5.1 - Рентгенограма РД-Н 100 Таблиця 5.2 - Мінералогічний склад РД-Н Мінерал Формула Вміст % напівводний гіпс С а804 • 0,5Н2О 41,8 Кроліт СаА120 4 21,4 А літ с 2б 7,4 Беліт с 4а б 3,2 чотирьохкальцієвий алюмоферіт Са4АБ 3,7 Доломіт СаССБ • МцССБ 7,3 Майєніт Саі2А1і40зз 2,3 Кварц 8 і0 2 1,2 Двоводний гіпс СавСЦ • 2Н20 1,7 Аморфна фаза - 10 Таблиця 5.3 - Хімічний склад РД-Н Оксид Содержание % СаО 39,83 8 0 3 22,1 АЬОз 17,81 БіОг 10 Ре20з 6,03 м § о 2,32 Т І02 0,75 в ю 0,44 к 2о 0,43 На20 0,09 МпО 0,06 Сг20з 0,049 Р2Оі 0,039 М о03 0,018 N10 0,013 СІ 0,011 Со30 4 0,0066 ХпО 0,0034 Компенсація усадочних деформацій в бетоні з РД-Н здійснюється за рахунок утворення розширювальної фази - еттрінгіта на стадії формування структури бетону, тобто в стані, в якому бетон ще здатний до деформаціям без утворення видимих тріщин. Для компенсації усадки необхідно домогтися такого співвідношення в'яжучого з РД-Н, при якому ефект розширення буде незначно більше або дорівнює сумі всіх усадочних деформацій бетону. Добавку РД-Н 101 вводили на стадії приготування бетонної суміші. Тривалість перемішування була збільшена в два рази в порівнянні з часом перемішування робочого складу і становила 120 сек. Для отримання рівнооб'ємних складів в складі бетону з РД- Н була зменшена витрата заповнювачів (чзап) на величину дозування розширювальної добавки. Враховувалося, що введення РД-Н погіршує реологічні показники бетонної суміші за рахунок індивідуальної водопотреби добавки, а також впливу добавки на гідратацію в'яжучого. Для компенсації втрати плинності було введено додаткову кількість води до отримання консистенції складів бетону з РД-Н, аналогічній початкового робочого складу. Кількість розширювальної добавки вибиралося, виходячи з теоретичних передумов і рекомендацій виробника. Випробування по визначенню усадки бетону проводилися по ДСТУ«Бетони. Методи визначення деформацій усадки та повзучості». Зразки виготовлялися серіями. Кожна серія складалася з зразків- призм розміром 100x100x400 мм. Зберігання зразків до початку випробувань здійснювалося в нормальних температурно-вологісних умовах по ДСТУ «Бетони. Методи визначення міцності по контрольних зразках». Підбір оптимальної кількості РД-Н здійснювався за величиною найменшої лінійної відносної деформації усадки бетону, що досягається при мінімальній кількості добавки. Зведені дані результатів випробувань наведені в табл. 5.4. Таблиця 5.4 - Лінійні відносні деформації усадки зразків у часі. № Кількість РД-Н п/ в % від маси Середні значення відносних деформацій усадки зразків єус (1) -Ю‘5 п в'яжучого Час твердіння, діб 1 3 7 14 28 4 2 56 70 84 98 112 120 1 попередній склад 18,3 2 2 ,2 3 5 ,2 3 8 ,7 4 9 ,0 5 6 ,4 6 5 ,2 75,1 82,5 88 ,2 92,1 9 4 ,8 2 10 2 ,2 3 ,5 4 ,3 6 ,2 7 7 ,7 9 ,5 10,3 11,4 12,4 13,2 13,8 3 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Аналізуючи дані табл. 5.4, приймаємо кількість РД-Н, що дорівнює 11% від маси композиційного в'яжучого. При цьому забезпечується компенсація усадочних деформацій, більшу кількість добавки недоцільно. Оптимізований склад і його властивості представлені в табл. 5.5.1 102 Таблиця 5.5 - Оптимізований склад і його властивості. Технологічні Структурні властивості бетонної характеристики Міцність на стиск, МПа суміші бетону иптимізовании склад Розпли- самоущільнювального В ’язкість вання бетону конуса, мм t500, С W 3 доби 7 діб 28 діб сек 477 ЦЕМ І 42,5Б МН 135 РД-Н 67 Пісок 668 Щебінь з дробленого бетону 569 640 12,5 0,393 0,25 21,9 38,3 47,2 фр.5-10 мм CQ Sika ViscoCrete 2,14 Е55 Вода 241 Тип в'яжучого, а також структурні характеристики попереднього складу самоущільнювального бетону (надалі склад 1) і оптимізованого складу з РД-Н (надалі склад 2) різні. Тому подальші дослідження структури бетону, а також фізико-механічні випробування зразків проводилися в порівняльному аналізі. 5.3. Дослідження структури бетону з ефектом самоущільнення В бетоні розрізняють макро- і мікроструктуру. Макроструктура визначає структуру бетону як штучного конгломерату, що складається з великого та дрібного заповнювачів і цементного каменю. Макроструктура бетону характеризується об'ємною концентрацією в'яжучого (С), об'ємним вмістом наповнювачів (8ЗАп) і величиною контактної зони [51]. Досліджувані склади самоущільнювального бетону мають щільну структуру з «плаваючим» розташуванням заповнювача, що досягається підвищеними значеннями С. Об'ємна концентрація в'яжучого значно більше обсягу порожнеч наповнювачів. Дана структура пояснюється особливістю підбору складу бетону, який передбачає для отримання необхідних реологічних властивостей підвищений вміст тонкодисперсних частинок. Зерна наповнювачів в попередньому і оптимізованому складі 1 і 2 знаходяться на значній відстані один від одного, найважливішим елементом структури є цементний камінь. Кількісним співвідношенням між цементним каменем і заповнювачем є величина С. У складі 1 величина С = 0,361, в складі величина 2 С = 0,393. З цього видно, що итрата матеріалів, кг/ 103 оптимізований склад 2 має більший обсяг цементного каменю і меншу кількість наповнювачів, а також меншу величину контактної зони. Слід зазначити, що в складі 2 присутній РД-Н, отже, процес гідратації матиме свої індивідуальні особливості за рахунок формування гідратних фаз з відмінною будовою - збільшеним вмістом голкоподібних кристалів еттрінгіта, що відбивається на наступних фізико-механічних властивостях самоущільнювального бетону. Відмінною особливістю розроблених складів самоущільнювального бетону є висока щільність упаковки елементів в структурі, яка забезпечується наявністю зерен різних розмірів: від 0-5 мкм до 12,5 мм при їхньому раціональному розташуванні. При цьому на стадії бетонування через самоущільнення бетонної суміші виключається утворення таких дефектів, як раковини і каверни. Структура бетону утворюється в результаті схоплювання бетонної суміші і подальшого твердіння бетону [78]. Вода замішування бере активну участь у формуванні структури бетону, а її кількість визначає всі наступні властивості матеріалу. Тільки незначна частина води зв'язується з в'яжучим хімічними зв'язками, її основна частина пов'язана механічно і знаходиться в міжзерновому просторі. З точки зору структурної теорії процес формування структури цементних систем пов'язаний з розподілом води на ранній стадії тверднення. Заповнювач розглядається як активний компонент, який впливає на формування структури цементного каменю. Головною кількісною характеристикою впливу заповнювача на формування структури бетону є його водопотреба [58]. Крім того, заповнювач, займаючи частину обсягу цементної композиційної системи, розбиває її на тонкі прошарки з утворенням так званих «структурних осередків». Цементне композиційне тісто, яке перебуває в тонких шарах, поводиться по-іншому, ніж в масі. Після приготування суміші і її укладання відбувається внутрішнє водовідділення за рахунок седиментації [52] і ця частина води не утримується композиційним в'яжучим. Кількість вільної води утворює капілярні пори бетону, а також послаблює контактну зону за рахунок седиментації, створюючи неоднорідність і дефектність структури. У розроблених складах самоущільнювального бетону пісок іммобілізує частину води замішування за рахунок дії поверхневих, в основному вандерваальсових сил, а щебінь з дробленого бетону фр.5-10 мм зважаючи пористу будову частини зерен, крім поверхневого утримування, також поглинає воду всередину зерна. Іммобілізована під впливом заповнювача вода знижує вихідне водов’яжуче відношення, створюючи справжнє водов’яжуче відношення (ЇУ), при якому буде формуватися цементний камінь. При цьому об'ємна концентрація в'яжучого (С) складається з суми в'яжучого і утримуваної ним води. Склад 2 має більше значення С, отже, маєте менший обсяг заповнювачів, 104 іммобілізуючих воду, і менше значення V/. Тому всі властивості розроблених самоущільнювальних бетонів суворо залежать від його структурних характеристик - істинного водов’яжучого відношення і об'ємної концентрації в'яжучого. Під мікроструктурою розуміють будову цементного каменю, заповнювачів, контактної зони між цементним каменем і заповнювачем і порового простору [79]. Методом рентгенофазового аналізу встановлено істотну відмінність мінералогічного складу цементного каменю попереднього (склад 1) і оптимізованого (склад 2) складу самоущільнювального бетону, склад яких представлений на мал.5.2, мал. 5.3 і в табл.5.6. 1І 3<500|І £ з(ооо! і.500; 1.000] 500 ] I (і : ' ■ І I м М А ІшізШ- і І УІи і-., мІШІІії - А 00 62 64 оо т 70 Мал. 5.2 - Рентгенограма самоущільнювального бетону складу 1 ""■ ШОоакй«* ? гас« іІ Сак»?«- І - Л І А ЇіА А 1 ІЬ-І, 4« ’ч ІМ І - Ми Мал. 5.3 - Рентгенограма самоущільнювального бетону складу 2 105 Таблиця 5.6 - Мінералогічний склад цементного каменю самоущільнювального бетону. Мінерали Формула Вміст, % Склад 1 Склад 2 Кварц БіСЬ 53,1 41 Кальцит С аС О з 16,1 24,5 Мікроклін КА ІБізО « 6 5,7 Альбіт И аА ІЗізО й 6 ,4 6 С аС О з М §С О з 2 2,3 Доломіт СзЭ 1,3 3,2 Аліт С зв 1,1 1,6 Беліт С 3А — 0,7 Трьохкальцієвий алюмінат Чотирьохкальцієвий с 4а е 1,3 1,7 Портландіт С а(О Н )2 1,5 1,2 Ангідрит СаБО., 0 ,6 0,5 Етрингіт С а6А І2(3 0 4 )з (0 Н ),2 -2 6 Н 20 0,6 1,6 Аморфна фаза — 10 10 Аналіз даних табл. 5.6 дозволяє зробити висновок, що введення розширювальної добавки в композиційне в'яжуче на стадії приготування бетонної суміші істотно змінює кінцевий мінералогічний склад цементного камня. У складі 2 зафіксовано зменшення кількості кварцу на 12,1%, мікрокліну на 0,3%, альбіту на 0,4%, портландіта на 0,3% при одночасному збільшенні кальциту на 8,4%, аліта на 1,9%, беліта на 0,5%, трьохкальцієвого алюмінату 0,7%, чотирьохкальцієвого алюмоферита на 0,4%. Додатково в цементному камені складу 2 встановлено збільшена кількість еттрінгіта, що дорівнює 1,6%, за рахунок якого і відбувається компенсація усадочних деформацій самоущільнювального бетону. Контактна зона між цементним каменем і зернами заповнювача формується в результаті гідратації в'яжучого. Зрощування зерна заповнювача з цементним каменем пов'язано з міграцією гідрату окису кальцію, що утворюється при гідролізі трьох-і двохкальцієвого силікату, до поверхні зерна. В результаті на поверхні зерен заповнювача утворюються кристали Са(ОН)2 і СаСОз. Контактна зона є ослабленим елементом структури бетону через явище седиментації, що виникають під зернами заповнювача, а також за рахунок індивідуального складу і будови, що відрізняються від цементного каменю. Характеристики контактної зони знаходяться в прямій залежності від величини зчеплення зерен заповнювача з цементним каменем. Дослідження контактної зони в робочому і оптимізованому складі самоущільнювального бетону здійснювалося візуально за допомогою електронного мікроскопа. Теоретично в структурі самоущільнювального бетону як попереднього складу 1, так і оптимізованого 106 складу 2, має бути присутнім два типи контактних зон: - перша контактна зона розташована в складних зернах щебеню з дробленого бетону. Ці зерна складаються з початкового крупного заповнювача з налиплою розчинною складовою; - друга контактна зона знаходиться між щебенем з дробленого бетону фр.5-10 мм і новим цементним каменем. При попередньому візуальному вивченні самоущільнювального бетону складів 1 і 2 виявлено повне зрощення налиплої розчинної частини щебеню з дробленого бетону з новим цементним каменем (мал. 5.4). Мал. 5.4 - Структура самоущільнювального бетону зі щебенем з дробленого бетону фр. 5-10 мм, збільшення 2,5х При подальшому збільшенні межі між налиплою розчинною частиною щебеню і новим цементним каменем також (мал.5.5, 5.6), чітко спостерігається лише одна контактна зона «природний заповнювач - цементний камінь». Проникнення продуктів гідратації всередину пористої структури розчинної частини щебеню з дробленого бетону і утворення єдиного цементного моноліту з каменю є свідченням того, що між ними відсутня видима межа. Якість цього цементного каменю залежить від продуктів і ступеня гідратації. Мал. 5.5. - Самоущільнюючий бетон складу 1, збільшення ЮОх . 107 Мал. 5.6. - Самоущільнюючий бетон складу 2, збільшення 100х Подальше збільшення дозволяє зробити висновок про дефектність контактної зони «природний заповнювач - цементний камінь» у вигляді чіткої межі розділу (мал.5.7, рис 5.8). При цьому не простежується значних пошкоджень цементного каменю, спостерігається його однорідність і монолітність. Мал. 5.7 - Самоущільнюючий бетон Мал. 5.8 - Самоущільнюючий бетон складу 1, збільшення ЗООх складу 2, збільшення ЗООх Пористість самоущільнювального бетону визначалася шляхом трьохстадійного насичення водою попередньо висушених зразків. Результати визначення пористості самоущільнювальних бетонів досліджуваних складів представлені в табл. 5.7. Таблиця 5.7 - Пористість самоущільнювальних бетонів Структурні характеристики Пористість за трьома ступенями насичення,% від № складу бетону обсягу С Пі П 2 п, П о б ш 1 0,361 0,26 1,43 14,95 1,55 17,93 2 0,393 0,25 1,36 13,84 1,69 16,89 Досліджувані склади самоущільнювального бетону мають малі значення загальної пористості за рахунок щільної упаковки зерен заповнювачів, а також внаслідок здатності самоущільнювальної бетонної суміші мимовільно витісняти залучене повітря на стадії заповнення опалубки. Пористість першої групи П] оптимізованого складу 2 незначно менше пористості попереднього складу 1, що пояснюється меншою величиною \У. Пористість другої групи П2 складу 2 108 закономірно менше з причин меншого вмісту наповнювачів в обсязі бетону, присутністю РД-Н, яка компенсує усадочні дефекти твердіння, менші за розміром \¥. У той же час пористість третьої групи пір П3 складу 2 несуттєво перевищує П3 складу 1, через більшого вмісту цементного каменю, чисельною характеристикою якої є величина С. 5.4 Аналіз в’язкості руйнування Експлуатаційна придатність самоущільнювального бетону для підлог виробничих будівель в більшій частині визначається їх тріщиностійкістю. Тріщини можуть утворюватися як на стадії виготовлення, так і на стадії експлуатації. На стадії виготовлення підлог виробничих будівель основною причиною утворення тріщин є усадочні деформації бетону, які умовно можна розділити на: - пластичну усадку через седиментацію і випаровування води з поверхні конструкції; - хімічну усадку, що ґрунтується на зменшенні обсягу в результаті гідратації; - аутогенну усадку, викликану деформаціями внаслідок низьких значень водов’яжучого відношення розроблених складів самоущільнювального бетону; - вологісну усадку, обумовлену градієнтом вологості бетону із середовищем з недостатньою вологістю [79]. Експлуатаційні тріщини в бетоні промислових підлог найбільш часто утворюються в результаті постійного впливу зовнішніх динамічних навантажень, обумовлених рухом машин і механізмів. Робота зовнішніх сил витрачається на об'ємну пружну деформацію матеріалу і на утворення нових поверхонь. Отже, процес руйнування бетону пов'язаний з розвитком і накопиченням мікродефектів. Тому доцільно розглянути фізичне поводження бетону з позиції теорії тріщин, тобто його поведінку в рамках механіки руйнування [80]. При вивченні процесу руйнування матеріалу необхідно розглянути умови руйнування біля кінчика тріщини. Ірвін, використовуючи уявлення про асимптотичну зміну напруженого стану біля вершини тріщини, сформулював цю умову: тріщина буде поширюватися в матеріалі, якщо коефіцієнт К у формулі напруги досягне певного критичного значення, постійного для матеріалу за даних умов: о = К Д /(2 л Х ), (5 Л ) де X - відстань від вершини тріщини. Коефіцієнт К називається коефіцієнтом інтенсивності напружень і характеризує інтенсивність поля напружень, що виникають в зоні перед кінчиком тріщини, в якій протікає процес руйнування. Максимальне значення коефіцієнта інтенсивності напружень (Кс) дозволяє характеризувати здатність матеріалу чинити опір розвитку тріщин і показує величину напружень, при якій настає лавинне 109 неконтрольоване зростання цих тріщин. Силовий критерій Кс називається в'язкістю руйнування. В'язкість руйнування пов'язана з енергетичним критерієм руйнування - швидкістю вивільнення пружної енергії Ос. Для плоского напруженого стану зв'язок між силовим і енергетичним критерієм виражається рівнянням: к = У Щ , (5 2) Експериментальні дослідження поля напружень поблизу кінчика тріщини, тобто визначення Кс або Ос для різних моделей матеріалу, показали, що для ізотропного однорідного і анізотропного матеріалу, а також при обліку пластичної деформації, може бути використаний параметр Кс. Тому в дослідженнях прийнято вважати, що коефіцієнт Кс є єдиним параметром, що характеризує поширення тріщин і в'язкість руйнування матеріалу [81]. Для визначення в'язкості руйнування були виготовлені зразки-призми розміром 100x100x400 мм з надрізом глибиною 33 мм, що імітує тріщину. Надріз утворювався за допомогою гострого клину, закріпленого перпендикулярно вертикальній стінці форми (мал. 5.9). Товщина клина при вершині становила 0,1 мм. Зразки виготовляли серіями, кожна серія складалася з двох зразків. Мал. 5.9 - Розташування клина, що імітує тріщину. Виготовлені зразки-призми після досягнення віку 28 діб при зберіганні в нормальних умовах випробовували на розтяг при згині (мал. 5.10.) 110 Мал. 5.10 - Випробування на розтяг при згині зразка-призми Розрахунок в'язкості руйнування Кс проводився за формулою: Кс = V(3PL)/(Bd)2 • [1,99 - 2,47(1/d) + 12,9(l/d)2 + 23 ,17(l/d )3 + (5.3) 28,2(l/d )4], де P - руйнівне навантаження, MH; L - відстань між опорами при вигині, м; В - ширина зразка, м; d - висота зразка, м; 1 - глибина надрізу, м. Результати випробувань зразків-призм самоущільнювального бетону складу 1 і складу 2 представлені в табл. 5.8. Таблиця 5.8 - В'язкість руйнування самоущільнювального бетону. № Руйнівне навантаження, МН В'язкість руйнування, Кс, Мн/м3/2 складу Одиничного Серії зразків (середнє Одиничного Серії зразків (середнє зразка значення) зразка значення) 1 0,0026 0,00265 9,36 9,45 0,0027 9,54 2 0,0031 0,0031 10,22 0,0031 10,22 10,22 В'язкість руйнування пов'язана з пористістю самоущільнювального бетону. Пори є дефектом структури і створюють концентрацію напружень, так як мають модуль пружності, рівний нулю. Склад 2 має меншу загальну пористість, за рахунок цього має більшу величину Кс. Також параметр Кс пов'язаний з величиною об'ємної концентрації в'яжучого (С). При цьому склад 2 має більше значення (С), отже, менше значення об'ємного змісту наповнювачів (Дзаі і) і менший обсяг контактної зони. Зменшення обсягу контактної зони веде до скорочення центрів первинного зародження мікротріщин і підвищенню тріщиностійкості самоущільнювального бетону. 5.5 Показові деформативні характеристики самоущільнювального бетону при короткочасній дії навантаження Для успішного розрахунку і оцінки поведінки під навантаженням монолітних підлог виробничих будівель необхідно знати силові деформативні 111 характеристики застосовуваного бетону. При короткочасному навантаженні основними деформативними характеристиками бетону є початковий модуль пружності при стисканні і початковий коефіцієнт поперечної деформації бетону (коефіцієнт Пуассона). Випробування проводилися на зразках-призмах квадратного перетину. Зразки виготовляли серіями, кожна серія складалася з трьох зразків-призм. Зберігання зразків здійснювалося в нормальних умовах. Випробування проводили після досягнення бетоном віку 28 діб. Модуль пружності і коефіцієнт Пуассона розраховували за певними в процесі випробування навантаженнями, а також поздовжнім і поперечним пружним деформаціям. Навантаження на зразки становило 30% від руйнівного. Результати випробувань представлені в табл. 5.9. Таблиця 5.9 - Модуль пружності і коефіцієнта Пуассона самоугцільнювального бетону. Модуль пружності Коефіцієнт Пуассона № складу самоущільнювального бетону Еб, МПа самоущільнювального бетону, д Середнє значення з Середнє значення з Одиничного зразка серії зразків Одиничного зразка серії зразків 25250 0,21 1 25650 25480 0,21 0,21 25550 0,21 27520 0,2 2 27255 27300 0,2 0,2 27125 0,2 Аналіз даних таблиці 5.9 дозволяє зробити висновок про те, що обидва склади мають порівняно невеликий модуль пружності, що характерно для самоущільнювальних бетонів, що мають підвищений зміст розчинної складової. При цьому Еб складу 2 перевищує Еб складу 1 за рахунок меншого утримуючого низькомодульного щебеню з дробленого бетону фр. 5-10 мм, що є основним концентратором напружень. Коефіцієнт Пуассона оптимізованого складу 2 відповідає використовуваним при розрахунках довідковим значенням 0,2. Коефіцієнт Пуассона попереднього складу 1 перевищує довідкові значення, що необхідно враховувати при проектуванні монолітних конструкцій. 5.6. Визначення стійкості до вдарних впливів та витираємості Монолітні бетонні підлоги промислових будівель експлуатуються в умовах постійних витираючих і тимчасових ударних впливів. Випробування по визначенню стирання проводилися на зразках-кубах з ребром завдовжки 70 мм на колі стирання типу Беме (мал. 5.11) по ДСТУ «Бетони. Методи визначення стираності». Зразки виготовляли серіями, кожна серія складалася з трьох зразків. Результати випробувань представлені в табл. 5.10. 112 Ё и и т и т ш Мал. 5.11 - Коло стирання типу Беме. Таблиця 5.10 - Стираність самоущільнювальних бетонів № складу Поодинокі значення Стираність бетону серії Марка бетону за стирання зразка, г/см2 зразків, г/см2 стиранням 0,6 1 0,4 0,5 01 0,5 0,4 2 0,3 0,4 01 0,4 Марка бетону за стиранням двох серій зразків відповідає максимально високій марці Є ї, однак, в числових значеннях зразки складу 2 показують меншу величину втрати маси при стиранні. Випробування самоущільнювальних бетонів на стійкість до ударних впливів проводилися згідно ДСТУ «Підлоги. Метод випробування на стійкість до ударних впливів». Було виготовлено дві дослідних ділянки розміром 750x500 мм. Ділянки складалися з підстилаючого шару, що обрамляє бортик і шар покриття. На вимогу ДСТУ «Підлоги. Метод випробування на стійкість до ударних впливів» підстильний шар виконувався з важкого бетону класу С25 товщиною 100 мм. Обрамляючий бортик виконувався по периметру підстилаючого шару з важкого бетону класу С І5, шириною 250 мм і товщиною 150 мм. Покриття товщиною 150 мм виготовлялося з самоущільнювального бетону складу 1 і 2 відповідно. Випробування проводилися після досягнення бетоном віку 28 діб. Перед проведенням випробування поверхню дослідних ділянок умовно ділили на 6 рівних частин (зон), в яких проводили випробування, в кожній зоні намічалися 9 точок прикладання ударів. Ударні впливи здійснювалися ударом від падіння гир різної маси по вертикальних 113 напрямних копра. Результати випробувань стійкості самоущільнювального бетону до ударних впливів представлені в табл. 5.11. Таблиця 5.11 - Стійкість самоущільнювального бетону до ударних впливів Найбільші маси Межа Середнє № Номер гир, при ударах допустимих Стійкість Ударна арифметичне складу / зони якими глибина значень підлоги до стійкість не значення ділянки вм'ятин не відносної удару, кг менш, кг стійкості т і , кг перевищує похибки До допустимої, кг І 16, 15 II 16, 16 1 III 15, 17 15,667 0,105 15,667-(1± 15 IV 16, 16 0,105) V 15, 15 VI 16, 15 І 16, 16 II 17, 16 2 III 16, 16 16,25 0,072 16,25-(1± 16 IV 16, 16 0,072) V 16, 17 VI 17, 16 Примітка: допустимі розміри вм'ятин і вибоїн не погіршують експлуатаційних якостей покриття - не більше 3,5 мм. Аналіз даних табл. 5.10 і табл. 5.11 дозволяє зробити висновок про те, що самоущільнювальний бетон складу 2 має більшу опірність витиральним зусиллям і ударним впливам, отже, більш придатний для експлуатації в монолітних підлогах виробничих будівель. Експериментальне дослідження властивостей самоущільнювального бетону показало присутність більш високих фізико-механічних показників оптимізованого складу 2 в порівнянні з попереднім складом 1 за рахунок меншої загальної пористості і кращої структури бетону. Введення добавки РД-Н в самоущільнювальну бетонну суміш в оптимальній кількості усуває небезпеку утворення усадочних тріщин на стадії твердіння. Склад 2 має більший модуль пружності і коефіцієнт Пуассона. В'язкість руйнування оптимізованого самоущільнювального бетону складу 2 перевищує в'язкість руйнування попереднього складу 1 на 8,15%, що говорить про більшу стійкість до утворення і поширення тріщин. Встановлено, що склад 2 в порівнянні зі складом 1 має підвищені значення стирання і стійкості до ударних впливів. Експериментальні дослідження показують, що самоущільнювальний бетон складу 2 може застосовуватися в якості монолітного покриття підлоги промислових будівель без нанесення сухого 114 зміцнюючого шару. Для запобігання запилення підлог з самоущільнювального бетону складу 2 необхідна обробка поверхні затверділого бетону зміцнювальним просоченням або плівкоутворювальною речовиною. Обробка проводиться після досягнення бетоном повітряно-сухого стану і вологістю не більше 5%. Вибір певної марки зміцнювального просочення або плівкоутворювальної речовини слід проводити виходячи з техніко-економічної доцільності, орієнтуючись на умови експлуатації статі промислової будівлі. Нанесення і технологію виконання робіт слід здійснювати відповідно до технічних інструкцій заводів-виготовлювачів. 5.7 Рекомендації щодо отримання бетону з вторинних матеріалів Проаналізовано рекомендації щодо отримання щебеню фр.5-10 мм і мікронаповнювача з бетонного брухту для виготовлення підлог виробничих будівель з самоущільнювального бетону [81]. Створений банк даних будівельних відходів, в якому є інформація про об'єкти будівництва, знесення, реконструкції; про замовника, генпідрядника, підрядників, транспортних організацій; про місце переробки та розміщення будівельних відходів; про обсяг переробки та захоронення по кожному виду відходів [82]. Передбачається диференційоване складування різних видів будівельних відходів. Введення класифікатора і бази даних будівельних відходів робить можливим застосування в якості сировинного матеріалу окремих залізобетонних елементів будівель, що мають схожі характеристики. В якості сировинних матеріалів застосовувати внутрішні одношарові стінові панелі та плити перекриття будинків серії 1605-АМ/5. Знесення будинків рекомендується проводити механічним обваленням. В якості основного демонтажного механізму доцільно використання екскаваторів з навісним гідравлічним устаткуванням. Для демонтажу окремих елементів панельних залізобетонних будівель найбільш раціонально застосування екскаваторів з навісним змінним гідравлічним устаткуванням: молотом, ножицями, захопленнями. На місці демонтажних робіт після руйнування необхідно організувати первинне видалення відокремлених металевих елементів (закладні деталі, шматки арматури) і побутове сміття. Для даної операції залучаються робітники низької кваліфікації. Транспортування первинного залізобетонного брухту виконувати вантажним автомобільним транспортом до пунктів переробки (дробильно-сортувальних комплексів). Рекомендується наступна технологічна послідовність отримання щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм на пунктах переробки: 1. Складування залізобетонного брухту виробів однакової номенклатури - одношарові стінові панелі та плити перекриття; 2. Первинне дроблення залізобетонного брухту до 115 отримання шматків найбільшого розміру не більше 300 мм. Рекомендується застосування щекових дробарок як найбільш підходящого обладнання для даного виду матеріалу, що переробляється; 3. Остаточне видалення металу і домішок. Для цих цілей використовувати транспортування залізобетонного брухту по конвеєрній стрічці з встановленим на початку магнітним сепаратором. Після сепаратора уздовж стрічки транспортера зробити розстановку робочих (не більше двох осіб) для ручного відсіювання домішок. Швидкість транспортування підбирати з урахуванням техніки безпеки та сприятливих умов праці; 4. Вторинне дроблення бетону. Провести в замкнутому циклі з додатковим подрібненням. Для даної операції доцільно застосування щекових дробарок. Додаткове подрібнення матеріалу зробити в агрегаті дрібного дроблення. Для отримання якісного щебеню з дробленого бетону в щековій дробарці рекомендується використовувати режим дроблення при найбільшому заповненні робочої зони обладнання. При цьому відбувається руйнування не тільки за рахунок ударів об броню установки, але і за рахунок тертя між частинами матеріалу. Використання такого режиму створює найбільш сприятливі умови для пріоритетного руйнування цементного каменю бетонного брухту і отримання вторинного щебеню з дробленого бетону з переважним вмістом подрібненого початкового крупного заповнювача; 5. Сортування на фракцію 5-10 мм і відсів дроблення 0-5 мм. Для даної операції застосовувати похилий вібраційний гуркіт з каліброваними отворами: 12,5, 10, 5 мм. Зерна розміром понад 12,5 мм необхідно піддавати додатковому подрібненню високоефективних ударнопозацентрових вібраційних і планетарних млинів; 6. Ретельне переміщування і транспортування фронтовим навантажувачем щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм в штабель для його подальшого використання. Всі транспортні операції всередині комплексу виконуються за допомогою стрічкових конвеєрів. Вибір дробильно-сортувального обладнання робити з урахуванням справжніх рекомендацій і необхідної продуктивності комплексу. Для отримання мікронаповнювача для самоущільнювального бетону з відсіву дроблення 0-5 мм рекомендуються наступні технологічні операції: 1. Складування відсіву дроблення бетонного брухту фр.0-5 мм закритим способом, що виключає намокання матеріалу атмосферними опадами; 2. Сушка відсіву дроблення до вологості не більше 1% за масою в барабанних або в конвеєрних сушильних агрегатах; 3. Доставка і складування сухого суперпластифікатора МеШих 558Ш в видатковий бункер; 116 4. Дозування відсіву дроблення фр.0-5 мм і Melflux 5581F в вагових дозаторах сипучих матеріалів. При цьому вагове обладнання для Melflux 5581F має мати менший діапазон вимірювань і більший клас точності; 5. Помол з активаці• єю в млині до питомої поверхні 4100-4500 см 2/г. Рекомендується застосування сучасних високоефективних ударно- відцентрових, вібраційних і планетарних млинів; 6. Подача мікронаповнювача в бункер (силос) готової продукції. При складуванні мікронаповнювача виключити його зволоження і забруднення; 7. Робочу площадку для виробництва мікронаповнювача доцільно розміщувати в безпосередній близькості від дробильно-сортувального комплексу. Вибір помельного обладнання здійснювати з урахуванням твердості відсіву дроблення фр.0-5 мм, потужності установки і необхідної продуктивності. Технологічний процес виробництва щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм і мікронаповнювача повинен бути організований відповідно до вимог «Система стандартів безпеки праці. Процеси виробничі. Загальні вимоги безпеки, таким чином, щоб максимально забезпечити узгодженість роботи технологічного обладнання і виключити можливість виникнення небезпечних і шкідливих виробничих факторів. При виготовленні щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм і мікронаповнювача необхідно передбачити виробничий контроль технологічних процесів. При виробництві щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм необхідно контролювати такі параметри: - питому ефективну активність природних радіонуклідів А еф в вихідному залізобетонному брухті; - наявність домішок і металевих включень в бетонному брухті перед вторинним дробленням - візуально; - зерновий склад, марку по міцності, вміст пилоподібних частинок, зміст зерен пластинчастої (лещадної) і голчастої форми щебеню з дробленого бетону визначати по ДСТУ «Щебінь і гравій із щільних гірських порід і відходів промислового виробництва для будівельних робіт. Методи фізико-механічних випробувань; При виробництві мікронаповнювача для самоущільнювального бетону слід контролювати: - вологість відсіву дроблення щебеню з дробленого бетону після сушки. 5.7.1 Особливості технології приготування самоущільнювальних бетонів Промислове виробництво розроблених самоущільнювальних бетонних сумішей має ряд особливостей, які необхідно враховувати. Самоущільнювальні бетонні суміші необхідно виготовляти централізовано на бетонозмішувальних установках (БСУ). Кількість силосів для зберігання в'яжучих речовин повинно бути не менше чотирьох: не менше двох для портландцементу і не менше одного для мікронаповнювача і розширювальної добавки РД-Н. При виробництві бетонних сумішей в зимовий період необхідно забезпечити підігрів 117 інертних матеріалів і води. Температура підігріваємо!' води замішування не повинна перевищувати 60°С. Температура бетонної суміші повинна перебувати в діапазоні від 5 до 20°С. Необхідно застосування дозаторів сировинних матеріалів не менше класу точності «1»,. Повинні регулярно проводитися заходи з калібрування і повірки вагового обладнання дозаторів. Виробництво бетонної суміші здійснюється в бетонозмішувачах примусового перемішування. Рекомендується двостадійне перемішування бетонної суміші [82]. 1 стадія. Подача в змішувач щебеню з дробленого бетону 5-10 мм, 50% портландцементу, мікронаповнювача, розширювальної добавки і води замішування. Перемішування компонентів не менше 50 секунд; 2 стадія. Подача в змішувач піску і решти 50% портландцементу, мікронаповнювача, розширювальної добавки, води замішування і суперпластифікатора. Перемішування компонентів протягом не менше 60 секунд. Застосування двостадійного перемішування дозволяє зменшити водопоглинання щебеню з дробленого бетону за рахунок кольматації капілярних пір зерен заповнювача. Кольматація відбувається за рахунок обволакування зерен щебеню в'яжучим на першій стадії перемішування. Г отові до застосування бетонні суміші доставляють споживачеві в автобетонозмішувачах. Конструкція застосовуваних автобетонозмішувачів не повинна призводити до втрати в'яжучого тіста, порушенню однорідності суміші, попаданню в суміш атмосферних опадів і сторонніх домішок, а також забезпечувати захист суміші в дорозі від впливу вітру і сонячних променів. Максимально допустима тривалість транспортування готової бетонної суміші не повинна перевищувати 120 хвилин. Виготовлення самоущільнювальних бетонних сумішей на БСУ виконувати при дотриманні наступних умов виробництва робіт: - мікроклімат виробничих приміщень повинен відповідати вимогам «Гігієнічні вимоги до мікроклімату виробничих приміщень»; - пожежна безпека на ділянці робіт і робочих місцях повинна бути забезпечена відповідно до вимог Правил пожежної безпеки для промислових підприємств; - режим праці приймати за умови оптимального темпу виконання трудових процесів при раціональній організації робочих місць, чіткого розподілу обов'язків між робітниками бригади з урахуванням поділу праці, застосування вдосконаленого обладнання, інструменту та інвентарю. 5.8 Технологія влаштування бетонних підлог промислових будівель та паркінгів з самоущільнювального бетону При виробництві підлог необхідно дотримання вимог «Підлоги. Актуалізована редакція СНиП 2.03.13-88 і ДСТУ 2017«Ізоляційні й оздоблювальні покриття. Роботи з виготовлення підлог виробничих будівель повинні починатися при наявності всієї необхідної проектної та організаційно-технологічної 118 документації. У проекті виконання робіт (ППР) необхідно передбачити заходи з охорони навколишнього середовища, техніки безпеки і дотримання санітарних норм. Перед початком бетонування необхідно забезпечити закритий тепловий контур виробничої будівлі, що забезпечує необхідний захист від вітру, атмосферних опадів і впливу прямих сонячних променів. Роботи з укладання самоущільнювальних бетонних сумішей повинні виконуватися при температурі повітря не нижче плюс 5°С. Площу підлоги слід розбивати на карти бетонування. По межі площі бетонування встановити опалубку. Карти бетонування слід розбити на смуги бетонування, встановлюючи для цього напрямні рейки згідно ДСТУ 2.6.-2015 «Підлоги. Будинки виробничі. Облаштування монолітних підлог на основі бетонів і розчинів. Правила, контроль виконання та вимоги до результатів робіт ». Підготовлена основа підлоги повинна мати гідроізоляцію від впливу ґрунтових або стічних вод. Укладання бетонної суміші слід починати тільки після підписання уповноваженою особою акту на приховані роботи з армування (при наявності таких робіт). Подача бетонної суміші в смугу бетонування повинна здійснюватися за допомогою бетононасоса, що має розподільне обладнання. При можливості під'їзду допускається вивантаження бетонної суміші безпосередньо з автобетонозмішувача, при цьому висота вільного скидання суміші не повинна перевищувати 1,5 м. Покладену в смугу бетонування самоущільнюючу бетонну суміш необхідно розрівнювати напрямними рейками. Не допускається віброущільнення, а також вакуумування укладеної бетонної суміші. Поверхню свіжоукладеного бетону необхідно піддавати обробці. Рекомендується застосування загладжування поверхні бетоноопоряджувальними машинами, обладнаними затирочними дисками. Загладжування поверхні слід починати після досягнення бетоном початкової міцності, що дозволяє витримувати без продавлювання вагу оздоблювальних машин. Після обробки поверхні слід починати заходи щодо догляду за бетоном. Для створення сприятливих умов твердіння бетону перші три доби поверхня підлоги повинна перебувати під шаром вологовтримувального матеріалу. Подальше твердіння здійснюється в природних умовах. Нарізку пазів температурно-усадочних швів виробляти через 24 години твердіння нарізувачами з алмазними або карборундовими дисками на глибину не менше 1/3 товщини бетонного покриття і шириною не менше 4 мм. Після досягнення бетонної поверхні повітряно-сухого стану (вологість не більше 5%) необхідно нанесення зміцнювального просочення або плівкоутворювальної речовини. Нанесення просочення запобігає запилюванню бетонної підлоги, яке виникає при впливі коліс транспортних машин і механізмів. Технологію нанесення 119 проводити відповідно до рекомендацій виробників. По закінченню робіт з нанесення зміцнювального просочення або плівкоутворювальної речовини пази температурно-усадочних швів повинні бути заповнені герметизируючими матеріалами. При дотриманні технології робіт повна експлуатація підлоги виробничої будівлі допускається після 28 діб тверднення. 5.9 Ефективність бетонів з вторинних матеріалів Оцінка економічної ефективності самоущільнювального бетону складається з собівартості матеріалу і здешевлення виробництва робіт за рахунок зменшення трудовитрат на його застосування. Зробимо розрахунок собівартості оптимізованого складу самоущільнювального бетону. Вартість сировинних матеріалів представлена в табл. 5.12. Таблиця 5.12 - Вартість матеріалів з урахуванням ПДВ та транспортних витрат на 4 квартал 2024 р. № Найменування сировинного матеріалу Одиниця виміру п/п Вартість, грн. Первинні матеріали 2 ЦЕМ І 42,5Б т 1616,00 3 Пісок кар’єрний т 216,00 4 Суперпластифікатор Silca ViscoCrete Е55 кг 42,00 5 Расширювальна добавка РД-Н кг 10,00 Вода 13,50 6 м3 Перероблені матеріали 7 Щебінь з дробленого бетону фр.5-10 мм Mj 296,00і 8 Мікронаповнювачі т 2832’3 Примі гки: 1. Вартість коливається в залежності від есіективності дробильно- сортувального комплексу. Для розрахунку взята середня вартість по прайс-листу декількох компаній. Насипна щільність щебеню з дробленого бетону - 1,2. 2. Вартість коливається в залежності від ефективності помельного обладнання. Для розрахунку взята середня вартість виробництва на ударно-відцентровому млині з урахуванням сушіння сировинного матеріалу. Включено вартість сухого суперпластифікатора Melflux 5581F (174 грн. / кг). Вартість приготування бетонної суміші на БСУ за даними ТОВ «СтройМонтаж» становить 213,50 грн./мЗ . Розрахунок собівартості• 1 м З самоущільнювального бетону представлений в табл. 5.13. 120 Таблиця 5.13 - Підсумкова собівартість проаналізованого самоущільнювального бетону. № Сума, грн Найменування витрат п/п Витрати на 1 м , кг 1 Сировинні матеріали: ЦЕМ І 42,5Б 477 771,10 Мікронаповнювач 135 382,5 Розширювальна добавка РД-Н 67 670 Пісок кар’єрний 668 144,75 Щебінь з дробленого бетона фр.5-10 мм 569 202,5 Суперпластифікатор Sika ViscoCrete Е55 2,14 89,1 Вода 241 3,25 2 Приготування бетонної суміші: Централізоване приготування на БСУ - 213,5 Разом: 2476,9 Середня вартість матеріалів для виготовлення 1 м покриття підлоги виробничої будівлі при товщині шару 0,15м із застосуванням зміцнювального просочення становить 371,5 грн. (самоущільнювальний бетон) + 35 грн. (зміцнювальне просочення 8ікаАоог СигеНагсІ-24 з витратою 0,2 л/м ) = 406,8 грн.. Для порівняння розглянемо поширену технологію влаштування підлоги виробничої будівлі з цементобетонним покриттям. В якості основного матеріалу при влаштуванні покриттів в більшості випадків застосовується бетонна суміш марки по рухливості П2 класу по міцності на стиск бетону С25, на гранітному щебені фр.5-20 мм. Середня ринкова ціна на дану продукцію становить 1300 грн/м3. Для простоти обчислень приймемо, що в обох випадках застосований однаковий вид і схема армування. Виготовлення бетонного покриття підлоги виробничої будівлі зі звичайного важкого бетону класу по міцності С25 передбачає застосування зміцнюючої суміші (начинки) для верхнього шару. Витрата зміцнюючої суміші залежить від виду продукту і передбачуваного о навантаження, впливу на покриття підлоги. Мінімальна витрата начинки 3 кг/м . Витрата начинки при інтенсивній дії може доходити до 8-10 кг/м підлоги. Середня варті• сть матеріалі• в для виготовлення 1 м 2 покриття підлоги виробничої будівлі зі звичайного важкого бетону при товщині шару 0,15 м із застосуванням начинки і зміцнювального просочення становить: 195 грн. (бетон С25) + 105,75 грн. (Топпінг МаБІегТор 450 з витратою 7кг/м2)+35грн. (зміцнювальне просочення 8і• каАоог СигеНагсІ-24 з витратою 0,2 л/м9 )=336,1грн.. Виготовлення покриття підлоги зі звичайного важкого бетону вимагає додаткових трудовитрат у порівнянні із застосуванням самоущільнювального бетону. 121 Найменування додаткових робіт і їх середня кошторисна вартість представлені в табл. 5.14. Таблиця 5.14 - Найменування робіт і їх вартість № Найменування робіт Од. вим. Ціна, грн. п/п 1 28 Розподіл малорухомої бетонної суміші м2 2 Ущільнення бетонної суміші вібрацією 20 3 73 Нанесення зміцнюючої суміші в два етапи Додаткове загладжування поверхні з 4 топінгом бетоноопоряджувальними 20 машинами Разом: 141 Сумарна вартість матеріалів і додаткових робіт при застосуванні звичайного важкого бетону складає 477,7 грн.. Тобто, при інших рівних умовах, підлоги виробничих будівель з монолітного самоущільнювального бетону, що застосовується в якості покриття і поєднаного з підстилаючим шаром, на 70,9 грн/м2 дешевше аналогічних підлог з важкого бетону з зміцненим верхнім шаром. При цьому треба брати до уваги, що використання монолітного самоущільнювального бетону призводить до збільшення продуктивності праці за рахунок зменшення трудомісткості будівельних робіт. До того ж, за рахунок швидкого набору міцності бетону відбувається скорочення термінів будівництва. Застосування розробленого монолітного самоущільнювального бетону виявляється перспективним і з екологічної точки зору [82]. Це дозволяє утилізувати величезну кількість відходів бетону та залізобетону шляхом його використання в якості сировинного матеріалу для високоефективного монолітного бетону з само ущільнювальною властивістю. Висновки за розділом 5 1. Для влаштування підлог промислових будівель та паркінгів доцільно застосовувати самоущільнювальний бетон з вторинних матеріалів. Для ефективного застосування розробленого самоущільнювального бетону необхідна його оптимізація для подальшої області застосування. Основним критерієм оптимізації є компенсація усадочних деформацій бетону, що виникають на стадії твердіння і підвищення експлуатаційних властивостей. 122 2. Оптимізація складу самоущільнювального бетону проводилася підбором оптимальної кількості розширювальної добавки РД-Н і введенням в попередній склад бетонної суміші. При змісті добавки в кількості 11% від маси композиційного в'яжучого забезпечується компенсація усадочних деформацій. 3. Дослідження структури і властивостей самоущільнювального бетону вироблялося на попередніх і оптимізованих безусадочних складах. Склади мають різні структурні характеристики. Встановлено, що попередній склад має С = 0,361, = 0,26, Э = 0,639, оптимізований С = 0,393, = 0,25, 8 = 0,607. Отже, вони мають різну макроструктуру. Всі властивості розроблених самоущільнювальних бетонів суворо залежать від його структурних характеристик. 4. Виявлено відмінності в мікроструктурі зразків попереднього і оптимізованого складу. Методом електронної мікроскопії виявлено повне зрощення розчинної частини щебеню з дробленого бетону з цементним каменем. Фактором зрощування є проникнення продуктів гідратації всередину пористої структури розчинної частини щебеню з дробленого бетону і утворення єдиного цементного каменю. При цьому виявлена дефектність контактної зони «природний заповнювач - цементний камінь». Методом РФА контактної зони цементного каменю в оптимізованому складі виявлено підвищений вміст еттрінгіта 3,4% і альбіта 8,9%, утримання в попередньому складі еттрінгіта 0,7% і альбіта 6,2%. Методом трьохстадійного насичення водою встановлено, що зразки оптимізованого складу мають більш низьку пористість першої групи П] = 1,36% в порівнянні з попереднім складом П] = 1,43%; пористість другої групи оптимізованого складу П2 = 13,84%, попереднього складу П2 = 14,95%, а також більш низьку загальну пористість оптимізованого складу Пзаг = 16,89%, попереднього - Пзаг = 17,93%. 5. Оптимізований склад самоущільнювального бетону, в порівнянні з попереднім, має більшу міцність на стиск в усі контрольовані терміни твердіння: 3 діб - 21,9 МПа, 7 діб - 38,3 МПа, 28 діб - 47,2 МПа. Попередній склад: 3 діб - 19,8 МПа, 7 діб -34,4 МПа, 28 діб - 42,1 МПа. 6. Визначено деформативні характеристики самоущільнювальних бетонів при короткочасному навантаженні. Модуль пружності попереднього складу самоущільнювального бетону Еб = 25480 МПа, оптимізованого (безусадочного) Еб=27300МПа. Коефіцієнт Пуассона попереднього складу самоущільнювального бетону, р = 0,21, оптимізованого ц = 0,2. Підвищення деформативних характеристик досягається за рахунок меншого вмісту низькомодульного щебеню з дробленого бетону фр.5-10 мм, що є основним концентратором напружень. 123 7. Основними експлуатаційними характеристиками монолітних бетонних підлог промислових будівель та паркінгів є старанність і ударна стійкість. Експериментально визначено, що оптимізація складу самоущільнювального бетону шляхом введення оптимальної кількості розширювальної добавки РД-П веде до підвищення експлуатаційних характеристик. Встановлено, що стирання попереднього складу становить 0,5 г/см З , оптимі• зованого - 0,4 г/см З; ударна стійкість попереднього складу не менше 15 кг, оптимізованого - не менше 16 кг. 8. Комплексні дослідження показують, що самоущільнювальний бетон оптимізованого складу може застосовуватися в якості монолітного покриття підлоги промислових будівель без нанесення сухого зміцнюючого шару. 9. Показано, що застосування розробленого самоущільнювального бетону в якості покриття в підлогах промислових будівель, призводить до зниження вартості готової підлоги на 70,9 грн/м9 у поріо внянні• з поширеною технологі•єю монолітних бетонних підлог із зміцненим верхнім шаром (топпінгові підлоги). При цьому досягається зменшення трудовитрат, підвищення якості і однорідності конструкції. 10. Запропонований в роботі підхід дозволяє утилізувати величезну кількість відходів бетону та залізобетону шляхом його використання в якості сировинного матеріалу для високоефективного, радіаційно-безпечного, безусадочного самоущільнювального бетону. 124 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 1 .Виконано огляд літератури по темі кваліфікаційної роботи магістра. Досліджено стан питання монолітних бетонних підлог та паркінгів з використанням вторинних матеріалів. Теоретично обґрунтовано та доведено можливість одержання безусадочного самоущільнювального бетону шляхом введення тонкодисперсного модифікатора і розширювальної добавки. 2. На основі досліджень початкового структуроутворення встановлені еталонні структурні характеристики бетону: об'ємна концентрація в'яжучого, істинне водов’яжуче відношення, які спільно з кількістю суперпластифікатора УібсоСгєіє 8іка дозволили отримати трьохфакторні експериментально- статистичні моделі властивостей самоущільнювального бетону, необхідні для прогнозування міцності, щільності, тріщиностійкості, зносостійкості і оптимізації складу багатокомпонентного бетону. 3. Проаналізовано, що активація в вібромлині відсіву дроблення щебеню з бетонного брухту спільно з полікарбоксилатним суперпластифікатором МеШих 5581Б призводить до механохімічної активації відсіву та створенню гідравлічно активного мікронаповнювача для самоущільнювального бетону. В результаті механохімічної активації відбувається аморфізація структури відсіву дроблення з щепленням молекул полікарбоксилату. Позитивна роль суперпластифікатора МеШих 5581Б полягає в інтенсифікації подрібнення, отриманні зернового складу мікронаповнювача із збільшеною кількістю тонких фракцій частинок, створення адсорбційних шарів молекул полікарбоксилату на зернах кінцевого мікронаповнювача. Встановлені залежності величини питомої поверхні і гранулометричного розподілу часток мікронаповнювача від кількості суперпластифікатора МеШих 558ІБ і часу активації у вібромлині. Отримано експериментально-статистичні моделі властивостей композиційного в'яжучого. 4. Оптимальний зерновий склад суміші щебеню з дробленого бетону і природного піску, розрахований з умови найменшої розбіжності від еталонної кривої Фулера, відповідає частці піску, що дорівнює 0,458 за обсягом або 0,54 за масою. 5. За допомогою методу планування експерименту встановлено багатофакторні експериментально-статистичні моделі властивостей самоущільнювальної бетонної суміші і затверділого самоущільнювального бетону, які залежать від структурних характеристик, а саме об'ємної концентрації в'яжучого, істинного водов’яжучого відношення, і кількості суперпластифікатора УібсоСгєґє 8іка.