Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Пенза: ПГУАиС, 2011. — 189 с.
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ, советник РААСН, д-р техн. наук, профессор Макридин Н.И. Актуальность работы. Известно, что основной задачей современной науки о материалах является создание материала с определенными свойствами, заранее заданными в некоторых пределах. Для строительных материалов конструкционного назначения, к которым относятся, прежде всего, бетон и железобетон, таким свойством является прочность, так как прочность цементного камня и бетона — это важнейший показатель их структуры, определяющий практически все остальные свойства этих материалов и, следовательно, область их применения. В основе развития науки о материалах, их технологии и производства, расчета и конструирования лежат методы испытаний. Основной целью испытания материалов является изучение и описание их свойств по характерным признакам, а также выражение этих признаков в количественной форме в виде определенных параметров, которые лежат в основе выбора, в частности, конструкционных материалов для какой-либо определенной цели. В этой связи мера достоверности теории полностью зависит от идейной полноценности и точности эксперимента, положенного в ее основу, и от адекватного отображения результатов этого эксперимента в математическом аппарате теории через определяющее уравнение. Полная и действенная программа оценки материалов должна давать информацию, необходимую для прогнозирования с достаточной точностью срока службы и вероятности его разрушения с учетом всех факторов, влияющих на возможное поведение материала при эксплуатации. Распространенная в настоящее время оценка качества бетона и цементного камня, в том числе, надежности, основана на измерении механической прочности по методикам соответствующих ГОСТ. Вместе с тем известно, что механические характеристики являются малоэффективными параметрами состояния при диагностике конструкционных материалов, так как не учитывают изменения прочностных и деформативных свойств бетонов под влиянием временных процессов микротрещинообразования при нагружении.
Повышения качества бетона и эффективности конструкций на его основе можно достичь как оптимизацией его структуры, так и уточнением уже имеющихся или введением новых характеристик материала, позволяющих совершенствовать методы проектирования и расчёта как конструкций, так и технологий производства последних, и, тем самым, более полно использовать конструкционные возможности бетона. Проблема качества бетонов приобретает особую остроту и актуальность в современных экономических условиях, характеризующихся, с одной стороны, увеличением стоимости энергетических и материальных ресурсов, а с другой, в связи с интенсивной разработкой и практическим внедрением в строительную практику так называемых высококачественных бетонов высокой и особо высокой прочности, для которых оценка действительных предельных состояний структуры приобретает особую научную и практическую значимость, так как из механики материалов известно, что высокопрочные материалы обладают малой трещиностойкостью (вязкостью разрушения) и остаточной прочностью при наличии дефектов структуры. Существенные достижения последних десятилетий в технологии бетона обусловлены значительным ростом эффективности модифицирующих добавок различной природы и, прежде всего, химических добавок ПАВ — супер- и гиперпластификаторов. Поэтому изучение и разработка процесса структурообразования цементного камня и бетонов на его основе и новых методов исследования их структуры и физико-механических свойств имеет важное значение, способствующее развитию бетоноведения. Одним из путей дальнейшего выяснения природы механического поведения бетона под нагрузкой может служить новый подход к проблеме прочности, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения с позиций физики и механики разрушения, так как истинная природа этого хорошо известного явления выяснена далеко не полностью. Концепция механики разрушения заключается в том, что разрушение твердого тела под нагрузкой происходит в результате развития в нем реальных дефектов. Поскольку между структурой и параметрами механики разрушения существует тесная физическая связь, то можно найти новые более дифференцированные и очень эффективные характеристики поведения материалов под нагрузкой, поэтому методы механики разрушения все шире начинают применять для оценки качества конструкционных материалов и оптимизации их механических свойств. Таким образом, работа посвящена актуальной теме современного строительного материаловедения - проблеме прочности и разрушения модифицированной добавками гидратационной структуры цементного камня и конструкционных бетонов, в частности, вопросам формирования важнейших параметров долговременной механической прочности — силовым, деформационным и энергетическим характеристикам трещиностойкости, изучению самого процесса разрушения в реальном масштабе времени, оптимизации структуры и механических свойств с целью повышения сопротивления модифицированной структуры цементного камня и бетона как стабильному, так и нестабильному развитию трещиноподобных дефектов под нагрузкой. Углубление физических представлений по данным вопросам позволит реализовать материаловедческое обеспечение повышения качества конструкционного бетона и, тем самым, - повышения надежности, долговечности и экономической эффективности конструкций и сооружений на его основе, что является весьма актуальной задачей современного строительного материаловедения. Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщенные в диссертационной работе, получены автором в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 годы (госконтракт с Федеральным агентством по образованию РФ № П1456). Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка научно-практических основ повышения конструкционной прочности модифицированных гидратационных структур цементных дисперсных систем нового поколения. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - изучить современное состояние производства модифицированных бетонов; - разработать общую методологию и частные методы исследования; - изучить процессы гидратации и структурообразования цементного теста, модифицированного пластификаторами; - определить фазовый состав, размеры блоков мозаики и плотность дислокаций р модифицированной дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня в разном возрасте; - разработать основы рецептурно-химико-технологической оптимизации модифицирования цементных дисперсных систем для формирования дисперсно- 1 кристаллитной структуры цементного камня, определяющей внутреннее трение, динамический модуль упругости и критерии трещиностойкости бетона на его основе; - изучить характеристики качества цементных дисперсных структур с оценкой деформативности, прочности, внутреннего трения, модуля упругости и механических критериев разрушения (силовых, энергетических, деформационных и др.) в зависимости от химико-технологических факторов модифицирования и возраста цементного камня; - изучить процесс разрушения цементных композитных систем в зависимости от факторов модифицирования и возраста с помощью метода акустической эмиссии на опытных образцах типа I при неравновесных механических испытаниях по методике ГОСТ 29167-91. Научная новизна работы: - разработаны теоретические основы повышения конструкционной прочности цементного камня и бетона путём использования химико-технологических факторов; - разработаны научные положения определения действительного предельного состояния структуры материала по прочности и деформативности путём совместного анализа оценок силовых, деформационных, энергетических и акустических параметров трещиностойкости; - установлен характер изменения электрического сопротивления и рН в твердеющей цементной пасте и показана зависимость этих параметров от влияния химических добавок; - установлена роль влияния факторов модифицирования на формирование фазового состава и параметров структуры цементного камня, а также на характер изменения долговременной прочности бетона; - методами рентгенофазового анализа, внутреннего трения, акустической эмиссии, тензометрии и механики разрушения установлена взаимосвязь между характеристиками модифицированной структуры и параметрами трещиностойкости цементного камня. Выявлено влияние вида дисперсной фазы на эту взаимосвязь; - доказано, что реальная долговременная прочность и трещиностойкость цементного камня и бетона определяется не только пористостью и степенью гидратации, но и характеристиками дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня; - установлено, что по кинетическим зависимостям внутреннего трения, динамического модуля упругости, критериев трещиностойкости и амплитудного распределения сигналов АЭ на кривой нагружения можно прогнозировать качество структуры бетона с учётом предельного состояния. Практическая значимость работы. Разработан критерий трещиностойкости, что подтверждено расчетноэкспериментальной оценкой характеристик качества дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня с учётом её гетерогенности. Разработан технологический принцип модифицирования цементной дисперсной системы современными суперпластификаторами, в соответствии с которым на начальном этапе смешивания ничто не должно препятствовать взаимодействию минералов цемента с водой. Предложен комплекс методов исследования совокупности силовых, деформационных, энергетических и акустических параметров трещиностойкости цементных материалов, определяющих действительное предельное состояние структуры по прочности и деформативности. Определяется использованием результатов исследования при решении прикладных задач разработки и получения бетонов нового поколения повышенной прочности и трещиностойкости. Результаты диссертационной работы получили внедрение в ООО «Строительные материалы», г. Пенза, и в ООО «Бессоновский домостроительный комбинат», Пензенская обл., при изготовлении многопустотных и ребристых плит перекрытия, лестничных маршей, каркасных свай, мелкоштучных изделий для нужд благоустройства, облицовки фасадов и используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство». Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением комплекса стандартных и высокоинформативных методов исследования, их непротиворечивостью известным закономерностям. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике.
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ, советник РААСН, д-р техн. наук, профессор Макридин Н.И. Актуальность работы. Известно, что основной задачей современной науки о материалах является создание материала с определенными свойствами, заранее заданными в некоторых пределах. Для строительных материалов конструкционного назначения, к которым относятся, прежде всего, бетон и железобетон, таким свойством является прочность, так как прочность цементного камня и бетона — это важнейший показатель их структуры, определяющий практически все остальные свойства этих материалов и, следовательно, область их применения. В основе развития науки о материалах, их технологии и производства, расчета и конструирования лежат методы испытаний. Основной целью испытания материалов является изучение и описание их свойств по характерным признакам, а также выражение этих признаков в количественной форме в виде определенных параметров, которые лежат в основе выбора, в частности, конструкционных материалов для какой-либо определенной цели. В этой связи мера достоверности теории полностью зависит от идейной полноценности и точности эксперимента, положенного в ее основу, и от адекватного отображения результатов этого эксперимента в математическом аппарате теории через определяющее уравнение. Полная и действенная программа оценки материалов должна давать информацию, необходимую для прогнозирования с достаточной точностью срока службы и вероятности его разрушения с учетом всех факторов, влияющих на возможное поведение материала при эксплуатации. Распространенная в настоящее время оценка качества бетона и цементного камня, в том числе, надежности, основана на измерении механической прочности по методикам соответствующих ГОСТ. Вместе с тем известно, что механические характеристики являются малоэффективными параметрами состояния при диагностике конструкционных материалов, так как не учитывают изменения прочностных и деформативных свойств бетонов под влиянием временных процессов микротрещинообразования при нагружении.
Повышения качества бетона и эффективности конструкций на его основе можно достичь как оптимизацией его структуры, так и уточнением уже имеющихся или введением новых характеристик материала, позволяющих совершенствовать методы проектирования и расчёта как конструкций, так и технологий производства последних, и, тем самым, более полно использовать конструкционные возможности бетона. Проблема качества бетонов приобретает особую остроту и актуальность в современных экономических условиях, характеризующихся, с одной стороны, увеличением стоимости энергетических и материальных ресурсов, а с другой, в связи с интенсивной разработкой и практическим внедрением в строительную практику так называемых высококачественных бетонов высокой и особо высокой прочности, для которых оценка действительных предельных состояний структуры приобретает особую научную и практическую значимость, так как из механики материалов известно, что высокопрочные материалы обладают малой трещиностойкостью (вязкостью разрушения) и остаточной прочностью при наличии дефектов структуры. Существенные достижения последних десятилетий в технологии бетона обусловлены значительным ростом эффективности модифицирующих добавок различной природы и, прежде всего, химических добавок ПАВ — супер- и гиперпластификаторов. Поэтому изучение и разработка процесса структурообразования цементного камня и бетонов на его основе и новых методов исследования их структуры и физико-механических свойств имеет важное значение, способствующее развитию бетоноведения. Одним из путей дальнейшего выяснения природы механического поведения бетона под нагрузкой может служить новый подход к проблеме прочности, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения с позиций физики и механики разрушения, так как истинная природа этого хорошо известного явления выяснена далеко не полностью. Концепция механики разрушения заключается в том, что разрушение твердого тела под нагрузкой происходит в результате развития в нем реальных дефектов. Поскольку между структурой и параметрами механики разрушения существует тесная физическая связь, то можно найти новые более дифференцированные и очень эффективные характеристики поведения материалов под нагрузкой, поэтому методы механики разрушения все шире начинают применять для оценки качества конструкционных материалов и оптимизации их механических свойств. Таким образом, работа посвящена актуальной теме современного строительного материаловедения - проблеме прочности и разрушения модифицированной добавками гидратационной структуры цементного камня и конструкционных бетонов, в частности, вопросам формирования важнейших параметров долговременной механической прочности — силовым, деформационным и энергетическим характеристикам трещиностойкости, изучению самого процесса разрушения в реальном масштабе времени, оптимизации структуры и механических свойств с целью повышения сопротивления модифицированной структуры цементного камня и бетона как стабильному, так и нестабильному развитию трещиноподобных дефектов под нагрузкой. Углубление физических представлений по данным вопросам позволит реализовать материаловедческое обеспечение повышения качества конструкционного бетона и, тем самым, - повышения надежности, долговечности и экономической эффективности конструкций и сооружений на его основе, что является весьма актуальной задачей современного строительного материаловедения. Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщенные в диссертационной работе, получены автором в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 годы (госконтракт с Федеральным агентством по образованию РФ № П1456). Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка научно-практических основ повышения конструкционной прочности модифицированных гидратационных структур цементных дисперсных систем нового поколения. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - изучить современное состояние производства модифицированных бетонов; - разработать общую методологию и частные методы исследования; - изучить процессы гидратации и структурообразования цементного теста, модифицированного пластификаторами; - определить фазовый состав, размеры блоков мозаики и плотность дислокаций р модифицированной дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня в разном возрасте; - разработать основы рецептурно-химико-технологической оптимизации модифицирования цементных дисперсных систем для формирования дисперсно- 1 кристаллитной структуры цементного камня, определяющей внутреннее трение, динамический модуль упругости и критерии трещиностойкости бетона на его основе; - изучить характеристики качества цементных дисперсных структур с оценкой деформативности, прочности, внутреннего трения, модуля упругости и механических критериев разрушения (силовых, энергетических, деформационных и др.) в зависимости от химико-технологических факторов модифицирования и возраста цементного камня; - изучить процесс разрушения цементных композитных систем в зависимости от факторов модифицирования и возраста с помощью метода акустической эмиссии на опытных образцах типа I при неравновесных механических испытаниях по методике ГОСТ 29167-91. Научная новизна работы: - разработаны теоретические основы повышения конструкционной прочности цементного камня и бетона путём использования химико-технологических факторов; - разработаны научные положения определения действительного предельного состояния структуры материала по прочности и деформативности путём совместного анализа оценок силовых, деформационных, энергетических и акустических параметров трещиностойкости; - установлен характер изменения электрического сопротивления и рН в твердеющей цементной пасте и показана зависимость этих параметров от влияния химических добавок; - установлена роль влияния факторов модифицирования на формирование фазового состава и параметров структуры цементного камня, а также на характер изменения долговременной прочности бетона; - методами рентгенофазового анализа, внутреннего трения, акустической эмиссии, тензометрии и механики разрушения установлена взаимосвязь между характеристиками модифицированной структуры и параметрами трещиностойкости цементного камня. Выявлено влияние вида дисперсной фазы на эту взаимосвязь; - доказано, что реальная долговременная прочность и трещиностойкость цементного камня и бетона определяется не только пористостью и степенью гидратации, но и характеристиками дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня; - установлено, что по кинетическим зависимостям внутреннего трения, динамического модуля упругости, критериев трещиностойкости и амплитудного распределения сигналов АЭ на кривой нагружения можно прогнозировать качество структуры бетона с учётом предельного состояния. Практическая значимость работы. Разработан критерий трещиностойкости, что подтверждено расчетноэкспериментальной оценкой характеристик качества дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня с учётом её гетерогенности. Разработан технологический принцип модифицирования цементной дисперсной системы современными суперпластификаторами, в соответствии с которым на начальном этапе смешивания ничто не должно препятствовать взаимодействию минералов цемента с водой. Предложен комплекс методов исследования совокупности силовых, деформационных, энергетических и акустических параметров трещиностойкости цементных материалов, определяющих действительное предельное состояние структуры по прочности и деформативности. Определяется использованием результатов исследования при решении прикладных задач разработки и получения бетонов нового поколения повышенной прочности и трещиностойкости. Результаты диссертационной работы получили внедрение в ООО «Строительные материалы», г. Пенза, и в ООО «Бессоновский домостроительный комбинат», Пензенская обл., при изготовлении многопустотных и ребристых плит перекрытия, лестничных маршей, каркасных свай, мелкоштучных изделий для нужд благоустройства, облицовки фасадов и используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство». Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением комплекса стандартных и высокоинформативных методов исследования, их непротиворечивостью известным закономерностям. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике.