Удк 691.327:666.972.4:620.17 котов дмитрий святославович физико-механические свойства тяжелого самоуплотняющегося бетона

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УДК 691.327:666.972.4:620.17 КОТОВ Дмитрий Святославович ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОГО САМОУПЛОТНЯЮЩЕГОСЯ БЕТОНА Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия Минск - 2013 Работа выполнена в отделе технологии бетонов и раствора Научно исследовательского Республиканского унитарного предприятия по строитель ству «Институт БелНИИС» Блещик Николай Павлович, доктор Научный руководитель:

технических наук, профессор, главный научный сотрудник РУП «Институт Бел НИИС» Веренько Владимир Адольфович док Официальные оппоненты:

тор технических наук, профессор кафед ры «Проектирование дорог» БНТУ;

Леонович Ирина Анатольевна, канди дат технических наук, старший препода ватель кафедры сопротивления материа лов ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» Оппонирующая организация: Государственное предприятие «Институт жилища – НИПТИС имени С.С. Атаева», г. Минск Защита состоится 24 мая 2013 г. в 1400 на заседании совета по защите диссертаций Д 02.05.05 при Белорусском национальном техническом универси тете по адресу: 220013, г. Минск, пр-т Независимости, 65, главный корпус, ауд.

202. Телефон ученого секретаря 8(017) 265-95-87. Е-mail: [email protected].

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печа тью учреждения, следует отправлять на имя ученого секретаря по адресу:

220013, г. Минск, пр-т Независимости, 65, Белорусский национальный техниче ский университет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского нацио нального технического университета.

Автореферат разослан 24 апреля 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат химических наук, доцент П.И. Юхневский © Котов Д.С., © Белорусский национальный технический университет, ВВЕДЕНИЕ Самоуплотняющийся тяжелый бетон (далее - самоуплотняющийся бетон, СУБ) является одним из наиболее перспективных новых видов бетона, кото рый, как правило не требует применения вибрации для укладки и уплотнения бетонной смеси и, соответственно, обеспечивает значительное сокращение за трат труда и электрической энергии при изготовлении изделий и возведении монолитных конструкций.

Отличительными особенностями самоуплотняющегося бетона являются:

высокая консистенция бетонной смеси, определяемая различными ме тодами, в т.ч. растеканием стандартного конуса;

низкое водоцементное отношение;

применение композиционных вяжущих, в состав которых могут вхо дить тонкодисперсные минеральные наполнители;

использование высокоэффективных химических модификаторов ново го поколения (гиперпластификаторов) в сочетании с пеногасителями, ус корителями твердения, замедлителями схватывания цемента, понизителями температуры замерзания воды в бетонной смеси, модификаторами вязкости и высокой объемной концентрацией композиционного вяжущего.

Эти особенности самоуплотняющегося бетона оказывают существенное влияние на его физико-механические свойства - прочность на сжатие и растя жение, модуль упругости, продольные и поперечные деформации, деформации усадки и т.д.

Несмотря на широкое применение самоуплотняющегося бетона в строи тельной практике зарубежных стран, его особенности физико-механических свойств недостаточно учитываются при проектировании железобетонных кон струкций зданий и сооружений. Для учета этих особенностей необходима кор ректировка соответствующих нормативных документов.

Из комплекса физико-механических свойств самоуплотняющегося бетона в данной работе исследованы его прочность на сжатие и растяжение, модуль упругости, коэффициент поперечных деформаций, продольные деформации со ответствующие прочности на сжатие и деформации усадки, необходимые для проектирования железобетонных конструкций.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Связь работы с крупными научными программами и темами Основные результаты и положения диссертационной работы получены при выполнении темы Минсктройархитектуры Республики Беларусь № 20053268 «Исследовать реологические, структурные, физико-механические и технологические свойства самоуплотняющихся бетонов, обеспечивающие увеличение производительности труда при укладке бетонной смеси, снижение удельных затрат энергии и стоимости отделочных работ. Разработать и внед рить комплект нормативно-технической документации», входящей в государ ственную научно-техническую программу «Строительные материалы и техно логии».

Цель и задачи исследования Объект исследования - самоуплотняющийся бетон, модифицированный различными химическими модификаторами и тонкодисперсными минеральны ми наполнителями.

Предмет исследования - физико-механические свойства модифицирован ного самоуплотняющегося бетона.

Выбор объекта и предмета исследования продиктован необходимостью учета особенностей физико-механических свойств самоуплотняющегося бетона при проектировании железобетонных конструкций зданий и сооружений, а также расширения области его применения, что позволит в значительной сте пени сэкономить энергетические и трудовые ресурсы.

Цель исследования – на основе результатов комплекса теоретических и экспериментальных исследований свойств самоуплотняющегося бетона разра ботать физические и математические модели его основных характеристик, не обходимых для проектирования железобетонных конструкций и технологиче ских режимов их возведения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

выполнен аналитический обзор результатов исследований физико механических свойств бетонов, модифицированных химическими и минераль ными добавками;

исследовано влияние структурных характеристик и свойств компо нентов СУБ на его прочность и разработаны математические модели прочности на сжатие и растяжение;

исследовано влияние структурных характеристик и свойств компо нентов СУБ на его деформационные характеристики и разработаны структур ные математические модели модуля упругости, продольных, поперечных и уса дочных деформаций;

разработаны предложения по изменению СНБ 5.03.01-2002;

разработаны технологические решения и осуществлено научно техническое сопровождение возведения монолитных железобетонных кон струкций с применением СУБ.

Положения, выносимые на защиту 1. Результаты экспериментально-теоретических исследований влияния минералогического состава клинкера, удельной поверхности цемента, содержа ния и свойств минеральных добавок и химических модификаторов, водовяжу щего отношения на прочностные и деформационные характеристики цементно го камня;

2. Результаты экспериментально-теоретических исследований влияния объемного содержания и свойств цементного камня, содержания и свойства крупного и мелкого заполнителей, водовяжущего отношения на физико механические свойства бетона;

3. Математические модели прочности на сжатие и растяжение, модуля упругости, деформаций усадки цементного камня и бетона.

4. Изменение №5 СНБ 5.03.01-2002 по учету влияния свойств самоуплот няющегося бетона на деформационные характеристики железобетонных кон струкций.

Личный вклад соискателя Результаты исследований, выносимые на защиту, получены лично авто ром при консультативном участии научного руководителя Н.П. Блещика. В проведении и анализе экспериментальных исследований приняли участие Ка линовская Н.Н., Парфенов А.И., Корыстин Д.В. и др.

В разработке Изменения №5 СНБ 5.03.01-2002 «Бетонные и железобетон ные конструкции» существенную помощь оказала главный специалист отдела РУП «Стройтехнорм» Кучко Л.Н.

В публикациях [5, 6] автором представлены разделы, касающиеся физи ко-механических свойств самоуплотняющегося бетона.

Апробация результатов диссертации Результаты исследований докладывались:

– на XV Международном научно-методическом семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь», г. Новополоцк, 2008 г.;

– на Международном симпозиуме «Проблемы современного бетона и же лезобетона», г. Минск, 2009 г.;

– на Международном симпозиуме «Проблемы современного бетона и же лезобетона», г. Минск, 2011 г.

Опубликованность результатов диссертации По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 ста тьи в научных журналах, включенных в перечень ВАК, общим объемом 2, авторского листа и 3 статьи в научных сборниках.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем диссер тации - 135 страниц, в том числе 47 иллюстрации на 31 страницах, 23 таблицы на 25 страницах, 2 приложения на 7 страницах. Использованных источников – 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава посвящена аналитическому обзору результатов исследова ний физико-механических свойств бетона и предложенных отечественными и зарубежными авторами соответствующих математических моделей. Из ком плекса физико-механических свойств рассмотрены: прочность на сжатие и рас тяжение;

модуль упругости;

поперечные, продольные и усадочные деформа ции. Отмечено, что наибольший вклад в развитие теории прочности и деформа тивности бетона внесли труды И.Н. Ахвердова, О.Я. Берга, Ш.Т. Бабаева, В.Г.

Батракова, А.Е. Десова, Г.В. Несветаева, Х. Тейлора, А.Е. Шейкина и др.

В процессе анализа рассмотрена 51 математическая модель, предложен ная для оценки и расчета характеристик бетона. Полученные математические модели прочности и деформационных характеристик бетона удовлетворитель но описывают значения в различных ограниченных областях. В результате ана лиза предложенных моделей показана невозможность их применение для бето нов, модифицированных современными химическими и минеральными добав ками, к которым относится и самоуплотняющийся бетон (СУБ). Установлено также, что для получения наиболее достоверных математических моделей фи зико-механических свойств СУБ целесообразно использовать структурные ме тоды и комплекс структурных характеристик предложенных Н.П. Блещиком с сотрудниками. Показано также, что для получения структурных математиче ских моделей прочности и деформативности СУБ следует принимать двухфаз ную модель, состоящую из цементного камня и заполнителя.

На основании аналитического обзора литературных источников и приня тых предпосылок определены направления и частные задачи эксперименталь но-теоретических исследований.

Во второй главе представлены результаты экспериментально теоретических исследований прочности самоуплотняющегося бетона на сжатие и растяжение.

Исследованию прочности цементного камня и разработке математиче ских моделей для ее описания посвящены многие работы, в том числе И.Н. Ахвердова, В.В. Бобкова, В.В. Тимашева, Х. Тейлора, Т.С. Паурса и др.

Многие полученные зависимости прочности цементного камня основаны на структурном подходе. Они учитывают влияние содержания и свойства геля, не гидратированных включений, а также капиллярных пор. Вместе с тем они не учитывают влияние содержания и свойств химических и минеральных добавок.

Не в полной мере учитываются также и свойства цемента. В этой связи степень корреляции значений прочности цементного камня, рассчитанных по получен ным математическим моделям, существенно расходится с экспериментальными данными разных авторов.

С целью получения уточненных структурных моделей прочности це ментного камня на сжатие выполнен комплекс экспериментально теоретических исследований с применением различных современных материалов.

В исследованиях свойств цементного камня использовался цемент - ПЦ 500-Д0 производства ОАО «Красносельскстройматериалы», пластификаторы – суперпластификатор СМ-1, гиперпластификаторы – ГП-1 и Stachement-2000-M Ж30, в качестве минеральной добавки – тонкодисперсный доломит.

В качестве варьируемых факторов при проведении экспериментальных исследований принимались: водовяжущее отношение, содержание минераль ной добавки, вид и содержание химических добавок. Водовяжущее отношение, варьировалось в пределах связности цементного теста: 0,164–0,43. Содержание минеральной добавки, принималось в количестве 20, 30 и 40 % от массы вяжу щего (цемента и наполнителя). Относительное содержание и вид пластифика торов принимались следующими: 0,2, 0,3 и 0,4 % для ГП-1;

0,4, 0,6 и 1 % - для СМ-1 и 0,3 % – для St-2000-М Ж30, от массы вяжущего в расчете на сухое ве щество.

Экспериментальные исследования прочности цементного камня выпол нялись на образцах 42 серий в возрасте 1, 2, 3, 7 и 28-ми суток. Результаты ис следований позволили получить 162 средних значений прочности цементного камня, каждое из которых содержало не менее шести частных значений.

В результате обработки экспериментальных данных по прочности це ментного камня fц.к. установлено, что ее зависимость может быть представлена в следующем общем виде:

fц.к. = (mК.П)·(mг), МПа, (1) где (mК.П) – функция, отражающая влияние объемной концентрации капил лярной пористости mК.П цементного камня;

(mг) – функция, отражающая влияние объемной концентрации геля (mг) в цементном камне.

В результате статистической обработки экспериментальных данных функция (mК.П) записана в виде:

(mК.П.) = (1 – w·mК.П)n (2) n = 0,46(3,5-w)1,87, где w- функция водовяжущего отношения:

= 1+ вяж в, В вяж где индекс “w” – эффективное водовяжущее отношение (без учета воды, по глощаемой заполнителем).

Функция (mг) представлена следующими зависимостями:

1(mг)= 626·mг1,41, МПа;

mг 0,3;

(3) 2(mг)=115 МПа, 0,8 mг 0,3. (4) 1,ГП-1+Дн(mг) = 1,81·103mг2,32, МПа;

mг 0,28;

(5) 2,ГП-1+Дн(mг) = 95 МПа, mг 0,28;

(6) 1,СМ-1+Дн(mг) = 31·103mг3,13, МПа;

m г 0,16;

(7) 2,СМ-1+Дн(mг) = 100 МПа, mг 0,16;

(8) 1,St+Дн(mг) = 16,3·103mг3,1, МПа;

m г 0,2;

(9) 2,St+Дн(mг) = 110 МПа, mг 0,2. (10) На рисунке 1 представлена степень корреляции прочности цементного камня на сжатие, рассчитанной по представленным выше зависимостям, с опытными данными в возрасте от 1 до 28 суток.

Рисунок 1 – Степень корреляции расчетных и опытных данных прочности цементного камня на сжатие в возрасте от 1 до 28 суток Для уточнения структурной модели прочности самоуплотняющегося бе тона на сжатие с учетом зависимости (1) выполнен комплекс эксперименталь но-теоретических исследований с применением ранее описанных материалов.

В качестве варьируемых факторов при проведении экспериментальных исследований принимались: водовяжущее отношение, содержание минераль ных добавок, вид и содержание химических добавок. Водовяжущее отношение, варьировалось в пределах 0,238–0,325, содержание минеральной добавки, при нималось в количестве 10–45 % от массы вяжущего;

относительное содержание и вид пластификаторов, принимались следующими: 0,4 и 0,5 % для Sica;

0,8– 1,4 % - для С-3 и 0,4–0,6 % - для Stachement-2000-М Ж30 от массы вяжущего в расчете на сухое вещество, отношение масс мелкого заполнителя к крупному принималось в пределах 0,68–1.

Экспериментальные исследования прочности самоуплотняющегося бето на производились на образцах 29 серии в возрасте 1, 3, 7 и 28 суток. Результаты исследований позволили получить 116 средних значений прочности бетона, каждое из которых содержало от 4 до 6 частных значений.

Основываясь на двухфазной модели бетона и полученных эксперимен тальных данных, математическая модель прочности СУБ fс. представлена в следующем общем виде fс. = fц.к. ·(mТ), МПа, (11) где fц.к. - функция прочности цементного камня в возрасте от 1 до 28 суток, МПа;

(mТ) – функция объемной концентрации теста в бетонной смеси.

В результате обработки полученных значений средней прочности бетона в возрасте 1, 3, 7 и 28 суток функция (mТ) записана в виде (mТ)=1,5-19,7·(0,375- mТ)1,35 (12) Степень корреляции расчетной модели прочности СУБ на сжатие пред ставлена на рисунке 2.

В результате экспериментальных исследований установлено также, что развитие прочности самоуплотняющегося бетона на сжатие во времени при 28 суток может быть отражено коэффициентом cc(t), представленным в СНБ 5.03.01-2002.

Исследованиями прочности самоуплотняющегося бетона на растяжение fct установлено, что она может быть определена по таблице 6.1 СНБ 5.03.01 2002 с умножением на коэффициент Кр=1,05, также допускается применять за висимость предложенную Г.В. Несветаевым, в виде fct = 0,30·( fc,cube·0,8)0,6, МПа, (13) где fс,cube – прочность бетона, определенная по образцам кубам, МПа.

Третья глава посвящена результатам экспериментально-теоретических исследований деформационных характеристик самоуплотняющегося бетона.

При выполнении экспериментальных исследований использовались мате риалы, характеристика которых приведена в главе 2.

Водовяжущее отношение варьировалось в пределах 0,177–0,43.

В качестве рабочей модели модуля упругости бетона была принята двух фазная модель, по аналогии с моделью прочности бетона на сжатие. В соответ ствии с этим на первом этапе исследований определялся модуль упругости це ментного камня, содержащего химические и минеральные добавки.

Рисунок 2 – Степень корреляции расчетных и опытных данных прочности самоуплотняющегося бетона на сжатие в возрасте от 1 до 28 суток В результате экспериментальных исследований было получено 36 сред них значений модуля упругости цементного камня в возрасте 28 суток, на осно ве результатов обработки которых, с использованием серийной модели Реусса и математико-статистических методов, математическая модель модуля упругости цементного камня представлена в виде 6, 1,25·(1-mК.П ) ·Км,Е ГПа, Eц.к = mг mн.вк.ц mн.вк.Дн, (14) + + Eг Eн.вк.ц Eн.вк.Дн где Eг – модуль упругости геля, Eг=20 ГПа;

Eн.вк.ц – модуль упругости негидратированных включений цемента, Eн.вк.ц =53 ГПа;

Eн.вк.Дн – модуль упругости негидратированных включений дисперсного наполнителя, Eн.вк.доломит =25 ГПа;

Eн.вк.шлак =40 ГПа.

Км.Е – коэффициент учитывающий влияние различного сочетания химиче ских и минеральных добавок имеет следующие значения: Км.Е.СМ-1=1,25;

Км.Е.st=1,15;

Км.Е.ГП-1=0,86.

Степень корреляции расчетной модели модуля упругости цементного камня представлена на рисунке 3.

Ецкр, ГПа 25, 20, 15, 10, 5, 0, Ецкоп, ГПа 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30, Рисунок 3 – Степень корреляции расчетных и опытных значений модуля упругости модифицированного цементного камня в возрасте 28 суток Принимая за основу двухфазную модель бетона, и учитывая особенности напряженного состояния цементного камня, обеспечивающего раздвижку зерен заполнителя mц.к.1 и находящегося в межзерновом пространстве заполнителя mц.к.2, зависимость модуля упругости для серийной модели бетона Ecm записана в виде:

, ГПа, = (15) ц.к. ц.к. з з ц.к. ц.к.

где Ец.к.1 – модуль упругости цементного камня, обеспечивающего раздвижку зерен заполнителя, ГПа Ец.к.2 – модуль упругости цементного камня, находящегося в межзерновом пространстве, ГПа;

mз, Ез – соответственно объемная концентрация и средний модуль упруго сти заполнителя, определяемые по формулам:

Gкр Gм mз = +, (16) м кр Eм ·Gм /м +Eкр ·Gкр /кр Ез =, (17) Gм /м +Gкр /кр где Gм, Gкр – масса мелкого и крупного заполнителя в единице объема бетона, кг;

м, кр – плотность мелкого и крупного заполнителя, кг/м3;

Eм, Eкр– модуль упругости мелкого и крупного заполнителей, ГПа.

По литературным данным модуль упругости кварцевого песка может быть принят равным 59 ГПа, а щебня из гранита – 73 ГПа.

При воздействии внешних нагрузок цементный камень находящийся в межзерновом пространстве заполнителя, работает в одноосном напряженном состоянии. Вследствие этого, значение Ец.к.2 может быть приближенно принято равным модулю упругости цементного камня Ец.к, определяемому по (14).

Цементный камень, обеспечивающий раздвижку зерен заполнителя, находится в сложном напряженном состоянии, обусловленном контактным вза имодействием зерен заполнителя с цементным камнем. При условии Ез Ец.к.

модуль упругости цементного камня Ец.к.1 будет больше модуля упругости це ментного камня Ец.к., определяемого в условиях одноосного напряженного со стояния. Его зависимость представлена в виде Ец.к1=ц.к.1·Ец.к. (18) Функция ц.к.1 в общем случае определяется соотношением модулей упругости цементного камня и заполнителя, средним расстоянием между зер нами заполнителя и их геометрическими размерами. Однако, для инженерных расчетов модуля упругости бетона на гранитном щебне и кварцевых песках функция ц.к.1 получена на основе учета влияния только одного параметра — mц.к.1.

Результаты анализа экспериментальных данных и их обработки с исполь зованием математико-статистических методов позволили записать функцию ц.к.1 в виде:

4, ц.к.1 =1,1+366·(0,4-mц.к.1 ) (19) и, соответственно, экспериментально-теоретическую зависимость модуля упругости самоуплотняющегося бетона в виде:

Ecm = m, ГПа (20) mц.к.1 m + ц.к.2 + з 4,1 1,4·Eц.к Eз (1,1+366·(0,4-mц.к.1 )) E ц.к В приведенных выше зависимостях значения mц.к.1 и mц.к.2 без учета уса дочных деформаций определяются по следующим формулам:

mп.з mц.к.2 = mз, (21) 1 mп.з m ц.к.1 = 1 m з m ц.к.2, (22) где mп.з – пустотность смеси заполнителей, определяемая в виброуплотненном состоянии.

Для определения относительных деформаций самоуплотняющегося бето на, соответствующих его напряженному состоянию с1 и поперечных деформа ций исследованы бетоны различных составов с применением материалов, опи санных в главе 2. Определение деформаций проводилось в соответствии с дей ствующими ТНПА, однако для определения с1 образец доводился до разруше ния. В связи с тем, что нагружение производилось в координатах «сила-время», деформации соответствующие ’с1 принимались равными деформациям, полу ченным на ступени, предшествующей разрушению образца.

В результате математической обработки и анализа экспериментальных данных относительных деформаций СУБ с1 установлено, что их значения мо гут приниматься равными значениям относительных деформаций традиционно го тяжелого бетона по СНБ 5.03.01-2002.

Установлено также, что значение коэффициента поперечных деформаций с самоуплотняющегося бетона варьируется в пределах от 0,177 до 0,222 и мо жет быть принято с = 0,2, как указано в СНБ 5.03.01-0202.

Результаты многочисленных экспериментальных исследований усадки СУБ, выполненные с использованием материалов указанных в главе 2, показа ли, что математические модели могут быть получены путем уточнения зависи мостей коэффициентов ds.1 и ds.2 Приложения Б СНБ 5.03.01-02, определяю щих предельные значения части усадки бетона cs.d.. При этом зависимости, определяющие незначительную величину части усадки бетона cs.а, могут быть оставлены в прежнем виде.

В результате математико-статистической обработки экспериментальных данных (113 средних значений) предложено принять следующе виды зависимо стей cs.d и cs.d.:

cs. d = k ds cs. d. ;

(23) f cs. d. = (220 + 110 ds.1. м ) exp ds.2 cm 106 RH, (24) f cm.o где k – коэффициент, учитывающий влияние марок по удобоукладываемости бетонной смеси, представленный в таблице 1;

ds –функция развития усадки бетона во времени, определяемая по формуле:

1. (t t s ) ds =, (25) 0,04 h + (t t s ) ds.1.м – коэффициент для бетонов модифицированных химическими добав ками, определяемый путем умножения коэффициента ds.1 на коэффициент kм, которые следует соответственно принимать по таблицам 2 и 3;

все остальные параметры приняты согласно СНБ 5.03.01-2002.

В случае применения минеральных добавок в количестве от 10 до 30% от массы вяжущего значение функции ds следует определять путем умножения значения ds, полученного по зависимости (25), на коэффициент KДн=1,1.

Степень корреляции расчетных и экспериментальных данных представ лена на рисунке 4.

Таблица 1 – Значения коэффициента k Марки по удобоукладываемости Коэффициент k бетонной смеси СЖ1, СЖ2, СЖ3, Ж2, Ж3, Ж4 0, Ж1, П1, П2 0, П3 П4, П5, Р-1 1, Р-2, Р-3, Р-4 1, Таблица 2 – Значения коэффициента ds. Вид цемента Коэффициент ds. Быстротвердеющий портландцемент и ПЦ 550 – Д0 (по 5, ГОСТ 10178) Нормальнотвердеющий портландцемент:

ПЦ 500 – Д0 (по ГОСТ 10178);

4, ЦЕМ –I класса по прочности на сжатие 42,5 (по ГОСТ 31108) Нормальнотвердеющий портландцемент:

ПЦ 500 – Д20 (по ГОСТ 10178);

3, ЦЕМ –II класса по прочности на сжатие 42,5 (по ГОСТ 31108) Нормальнотвердеющий портландцемент:

ПЦ 400 – Д20, шлакопортландцемент, (по ГОСТ 10178);

3, ЦЕМ –II класса по прочности на сжатие 32,5, ЦЕМ –III (по ГОСТ 31108) Таблица 3 – Значения коэффициента kм Вид химических модификаторов Коэффициент kм Пластифицирующие добавки второй 0, и третьей групп по СТБ Пластифицирующие добавки первой 0, группы по СТБ Гиперпластификаторы (ГП – 1, 0, St – 2000 и др.) Ускорители твердения 1,,% ecsф, ‰ 0 0,1 0,2 0,3 0, - - - - Рисунок 4 – Степень корреляции расчетных и опытных данных деформаций усадки Четвертая глава диссертационной работы посвящена практическому ис пользованию полученных результатов.

Учитывая отсутствие нормируемых физико-механических свойств само уплотняющегося бетона одним из важных направлений внедрения результатов исследований была разработка Изменения №5 СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и же лезобетонные конструкции», отражающего особенности физико-механических свойств самоуплотняющегося бетона.

По результатам исследований представленных в главах 2 и 3 внесены до полнения в раздел 6 «Материалы» СНБ 5.03.01-02. В частности, он дополнен таблицей 6.2а «Модуль упругости модифицированных самоуплотняющихся бе тонов», содержащей значения модуля упругости самоуплотняющегося бетона Еcm в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие и марки бетонной смеси по растеканию конуса. Представленные значения модуля упругости бе тона варьируются от 18 ГПа — для класса бетона С20/25 и марки по удобо укладываемости Р-4 (РК=76–85см), до 46 ГПа — для класса бетона С60/75 и марки по удобоукладываемости Р-1. Данный диапазон обуславливается увели чением расхода цемента при увеличении подвижности бетонной смеси и изме нением физико-механических свойств цементного камня в бетонах разных классов по прочности на сжатие. Это в полной мере соответствует физическому смыслу и аналитической зависимости (20), представленной в разделе 3.

Значительному изменению подвергся раздел, посвященный усадке бетона (Приложение Б СНБ 5.03.01-2002). Так функция развития усадки бетона во времени ds принята согласно зависимости (25).

Предельные значения части усадки бетона, обусловленной испарением из него влаги, необходимо определять согласно скорректированной методики СНБ 5.03.01-2002, но с учетом коэффициентов, учитывающих влияние марок по удобоукладываемости бетонной смеси (таблица 1) и вида химических моди фикаторов (таблица 3). Согласно принятым изменениям увеличение подвижно сти бетонной смеси приводит к увеличению предельного значения части усадки бетона, обусловленной испарением из него влаги, а применение химических модификаторов, кроме ускорителей твердения, наоборот, приводит к ее сниже нию.

Уточнены значения коэффициентов ds1 и ds2 учитывающих вид приме няемого цемента (таблица 2).

Широкую промышленную апробацию результатов исследований пред ставляет опыт строительства первой в Республике Беларусь гидроэлектростан ции на реке Неман г. Гродно из железобетонных конструкций с применением самоуплотняющегося бетона с участием автора в научно-техническом сопро вождении производства бетонных работ. Этот опыт не имеет аналога в мировой практике строительства ГЭС.

Основываясь на результатах исследований и полученных эксперимен тально-теоретических зависимостях были разработаны состав бетона и техно логические режимы производства бетонных работ.

В процессе научно-технического сопровождения регулярно производился отбор проб бетона для контроля необходимых физико-механических характе ристик бетона: плотности, прочности на сжатие, растяжение, морозостойкости, водонепроницаемости, деформаций усадки.

Кроме этого с применением терморезисторов выполнялся контроль рас пределения температурных полей по сечению блоков различных размеров. По лученные экспериментальные данные свидетельствуют, что основные факторы, обеспечивающие термическую трещиностойкость конструкций, оказались в пределах значений, предусмотренных технологией производства бетонных ра бот, т.е. разность температур в теле блока не превышала 18 С. При этом мак симальная температура ядра бетона была не выше 60 С, а средняя температура остывания конструкции — не более 5 С в час.

Результаты экспериментальных исследований усадки самоуплотняюще гося бетона, примененного для бетонировании рисбермы ГЭС, в возрасте 4, 5, 6, 11, 18 и 24 суток показали, что усадка имеет значения на 30-50 % ниже в ранние сроки твердения, что соответствует возрасту бетона конструкций до суток и на 25-35 % ниже в возрасте 10–24 суток, в сравнении с усадкой, рассчи танной по методике принятой в СНБ 5.03.01-2002.

Для производства бетонных работ в холодный период года, который определяется среднесуточной температурой ниже плюс 5 С и минимальной в течении суток 0 С, были предусмотрены дополнительные условия для обеспе чения проектных требований предъявляемых к конструкции:

1) на расстоянии 5–15 см от поверхности вертикальных стен укладыва лись греющие провода согласно разработанным схемам;

2) горизонтальные поверхности бетона укрывали пленкой после укладки бетона. При достижении разницы температур бетона в центре массива и у гори зонтальной поверхности бетона 16 С поверхность бетона укрывалась эффек тивным утеплителем типа Этафом или минераловатными плитами;

3) при достижении разницы температур в центре массива и у вертикаль ной поверхности 16 С включалась система прогрева, при помощи которой поддерживалась разность температур менее 16 С;

4) указанный уход за бетоном осуществлялся до набора проектной проч ности бетона и снижения температуры в центре массива до 30 С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные научные результаты диссертации 1. Установлена взаимосвязь основных физико-механических характери стик самоуплотняющегося бетона с объемной концентрацией и свойствами це ментного камня, минералогическими характеристиками цемента, содержанием и свойствами минеральных и химических добавок, истинным водовяжущим от ношением [1–4, 6].

2. Разработана и подтверждена экспериментальными данными матема тическая модель прочности цементного камня и его составляющих в бетоне, учитывающая влияние продуктов гидратации цемента и капиллярной порис тости [1].

3. На основе результатов комплекса экспериментально-теоретических ис следований получена математическая модель прочности на сжатие самоуплот няющегося бетона в различном возрасте, учитывающая влияние его структур ных характеристик. Прочность на растяжение самоуплотняющегося бетона до пускается принимать по СНБ 5.03.01-2002 с коэффициентом 1,05 [6].

4. Установлено, что модуль упругости самоуплотняющегося бетона обу славливается минералогическим составом цемента, его плотностью и удельной поверхностью, водовяжущим отношением, объемным содержанием и свой ствами минеральных и химических добавок. На основе учета указанных факто ров разработаны экспериментально-теоретические модели модуля упругости цементного камня и бетона в виде обобщенной модели Реуса. Также в резуль тате исследований установлено, что значения относительных продольных де формаций могут приниматься по зависимостям нормативных документов, при нятых для традиционного тяжелого бетона, коэффициент поперечных дефор маций может быть принят равным 0,2 [2].

5. Получены экспериментально-теоретические модели усадки самоуплот няющегося бетона в виде уточненных моделей СНБ 5.03.01-2002 и DIN EN 1992-1-1 в части учета усадочных деформаций от испарения влаги при тверде нии бетона [3, 4].

6. Полученные результаты исследований и разработанные математиче ские модели рассматриваемых физико-механических свойств самоуплотняюще гося бетона представлены в Изменении № 5 СНБ 5.03.01-2002.

7. Научные результаты исследований использованы при внедрении само уплотняющегося бетона в Республике Беларусь и, в частности, при возведении железобетонных конструкций ГЭС на реке Неман г. Гродно [5].

Рекомендации по практическому использованию результатов Результаты диссертационной работы рекомендуется использовать при проектировании и научно-техническом сопровождении изготовления железобе тонных изделий и монолитных конструкций из самоуплотняющегося бетона и, в частности, монолитных конструкций ГЭС. Результаты исследований реко мендуется также использовать при разработке методик проектирования соста вов модифицированных бетонов с учетом заданных прочностных и деформаци онных характеристик.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ Научные издания, включенные в перечень ВАК 1. Блещик, Н.П. Прочность на сжатие цементного камня модифицирован ного различными химическими модификаторами и тонкодисперсными наполни телями / Н.П. Блещик, Д.С. Котов // Вестник БрГТУ. Строительство и архитек тура. – 2008.–№ 1.– С.172–179.

2. Блещик, Н.П. Модуль упругости бетона, модифицированного химиче скими и тонкодисперсными минеральными наполнителями / Н.П. Блещик, Д.С. Котов // Строительная наука и техника. – 2008. – № 2 (17). – С. 10–19.

3. Котов, Д.С. Деформации усадки бетона, модифицированного химиче скими и тонкодисперсными минеральными наполнителями / Д.С. Котов // Строительная наука и техника. – 2008. – № 6 (21). – С. 68–75.

Материалы и сборники трудов конференций и семинаров 4. Блещик, Н.П. К вопросу расчета усадочных деформаций бетона, моди фицированного химическими добавками и тонкодисперсными наполнителями / Н.П. Блещик, Д.С. Котов // Перспективы развития новых технологий в строи тельстве и подготовке инженерных кадров Республике Беларусь: сборник ста тей XV Междунар. науч.-практ. семинара., г. Новополоцк, 27 – 27 ноября 2008 г.:

в 2 т. / ПГУ;

редкол.: Т.М. Пецольд [и др.]. – Новополоцк, 2008. – Т.2. – C. 13–21.

5. Блещик, Н.П. Эффективность применения самоуплотняющегося бетона при строительстве Гродненской ГЭС / Н.П. Блещик, В.И. Дзядук, Н.Н. Кали новская, Д.С. Котов // Проблемы современного бетона и железобетона: сборник трудов: в 2 ч. / редкол.: М.Ф. Марковский (гл. ред.) [и др.]. – Минск:

Минсктиппроект, 2009. – Ч. 2: Технология бетона. – С. 118–131.

6. Блещик, Н.П. Основы прогнозирования технологических и физико механических свойств самоуплотняющегося бетона / Н.П. Блещик, А.Н. Рак, Д.С. Котов // Проблемы современного бетона и железобетона: сборник трудов:

в 2 ч. / редкол.: М.Ф. Марковский (гл. ред.) [и др.]. – Минск: Минсктиппроект, 2009. – Ч. 2: Технология бетона. – С. 132–159.

РЭЗЮМЭ Котаў Дзмiтрый Святаслававiч ФІЗІКА-МЕХАНІЧНАЯ ЎЛАСЦІВАСЦІ БЕТОНУ, ЯКI САМАЎШЧАЛЬНЯЕЦЦА Ключавыя словы: бетон, якi самаўшчальняецца, цэментны камень, мады фiкатары, мiнiральныя дадаткi, структура, трываласць, дэфармацыйнасць, структурна-механічная мадэль.

Мэта працы – на выснове вынiкаў комплексў тэарытычных i экспе рыментальных даследаванняў уласцiвасцяў бетону, якi самаўшчальняецца, распрацаваць фiзiчныя i матэматычныя мадэлi яго асноўных характарыстык, якiя неабходны для праектавання жалезабетонных канструкцый i тэхналагiч ных рэжымаў iх узвядзення.

Эксперыментальныя даследаванні выконваліся з выкарыстаннем стандар тызаваных методык і метадаў статыстычнай апрацоўкі эксперыментальных дадзеных.

У працы атрыманы эксперыментальна і навукова абгрунтаваныя струк турныя матэматычныя мадэлі трываласці на сціск і расцяжэнне, модуля пругкіх дэфармацый, падоўжных і папярочных дэфармацый і дэфармацый усаджвання бетону, якi самаўшчальняецца.

Вынікі даследаванняў выкарыстаны пры распрацоўцы Змянення № БНБ 5.03.01-2002 «Бетонныя і жалезабетонныя канструкцыі», складаў бетону, якi самаўшчальняецца і тэхналагічных рэжымаў узвядзення канструкцый ГЭС на рацэ Нёман, г. Гродна, якія забяспечваюць дасягненне зададзеных тэхнічных характарыстык бетону і неперавышення крытерыяльных тэмпературна-усадж вальных дэфармацый масіўных маналітных канструкцый.

РЕЗЮМЕ Котов Дмитрий Святославович ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САМОУПЛОТНЯЮЩЕГОСЯ БЕТОНА Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, цементный камень, моди фикаторы, минеральные добавки, структура, прочность, деформативность, структурно-механическая модель Цель работы – на основе результатов комплекса теоретических и экспе риментальных исследований свойств самоуплотняющегося бетона разработать физические и математические модели его основных характеристик, необходи мых для проектирования железобетонных конструкций и технологических ре жимов их возведения.

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием стан дартизированных методик и методов статистической обработки эксперимен тальных данных.

В работе получены экспериментально и научно обоснованные структур ные математические модели прочности на сжатие и растяжение, модуля упру гости, продольных и поперечных деформаций и деформаций усадки само уплотняющегося бетона.

Результаты исследований использованы при разработке Изменения № СНБ 5.03.01-2002 «Бетонные и железобетонные конструкции», составов само уплотняющегося бетона и технологических режимов возведения конструкций ГЭС на реке Неман, г. Гродно, обеспечивающих достижение заданных техни ческих характеристик бетона и непревышение критериальных температурно усадочных деформаций массивных монолитных конструкций.

SUMMARY Dmitry Kotov PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF SELF-COMPACTING CONCRETE Key-words: self-compacting concrete, cement stone, modifying agents, dis perse filling agents, structure, strength, deformability, structural mechanical model.

The object of the paper is the development of the structural mathematical mod els of self-compacting concrete physical-mechanical properties based on the results of experimental-technical investigations.

Experimental investigations were held using standardized techniques and methods of experimental data statistical treatment.

Experimental- and science-based structural mathematical models of self compacting concrete compressive and tensile strength, modulus of elasticity, longitu dinal and lateral strains and shrinkage strains are obtained.

The investigations results are applied to develop Amendment 5 of BNB 5.03.01-2002 “Plain and Reinforced Concrete Structures”, self-compacting concrete mixes and practice of erecting Neman river hydroelectric power plant in Grodno that provide concrete specified technical characteristics achievement and not exceeding criterion contraction strains for heavy cast-in-place constructions.

Научное издание КОТОВ Дмитрий Святославович ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САМОУПЛОТНЯЮЩЕГОСЯ БЕТОНА Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия Подписано в печать 23.04.2013. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография.

Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 0,91. Тираж 80. Заказ 388.

———————————————————— Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.