Методологические основы оптимального проектирования составов и управление физико-химическими свойствами многокомпонентных высококачественных бетонов

Аннотация

Актуальность и восстребованность темы диссертации. В мировой практике строительстива год за годом увеличивается спрос на бетон как к наиболее эффективному конструкционному материалу. По данным «Международной федерации по конструкционному бетону» (International Federation for Struktural Concrete, FIB) в настоящее время годовое производство бетона превысило 2,5 млрд, м3 и в ближайшей перпективе прогнозируется достижение объма до 4,0 млрд. м3. Последние десятилетия XX века ознаменовались значительными достижениями в технологии бетона. В этом отношении значительное внимание уделяется вопросу совершенствования составов многокомпонентнкх высококачественных бетонов, повқшению их физико-механических и эксплуатационых свойств путем использования высокомарочных цементов. В мировой практике строительства производят широкомастабные научные-исследовательские работы направленные на разработку многокомпонентных бетонов обладающих высокими эксплуатационными свойствами. В частности для получения высококачественных бетонов проводятся исследования по совершенствованию структуры цементных систем с введением в их состав высокомарочных (М500 и выше) цементов, гиперпластификаторов и активных дисперсных микронаполнителей. При этом одним из важных задач представляется оптимизация гранулометрического состава цемента путем использования технологии совместного помола клинкера или цемента с минеральными наполнителями различной прировы и происхождения. С приобретением независимости нашей республики развивающейся высокими темпами в сроительной индустрии были достигнуты существенные результаты в вопросах повышения качества и улучшения свойств цементных бетонов путем введения в их состав химических добавок и минеральных наполнителей, снижение себестоимости производимых бетонных и железобетонных конструкций, а также повышения надежности возводимых зданий и сооружений. В месте с тем возникает крайняя необходимость в активизации научно-исследовательских работ направленных на дальнейшее повышение качества бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, снижению их веса и геометрических параметров за счет достижения высоких прочностных показателей и сейсмостойкости. В стратегии Действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 годы предусматривается “...повышение конкурентно способности национальной экономики, ...сокращение в экономике энергетических и материальных расходов, широкое внедрение в производство энергосберегающих технологий”. Реализация этих задач, в частности решения вопросов по разработке методологических основ оптимального проектирования многокомпонентных высококачественных бетонов, прогнозированию прочностных и эксплуатационных свойств модифицированных бетонов, позволяющих достичь существенного энерго- и ресурсосбережения в строительной отрасли, а также достижению направленного управления физико-химическими взаимодействиями, протекающими в гидратирующейся среде с учетом поверхностной активности минеральных наполнителей являются одними из первостепенных, требующих своего решения. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных Указом Президента Республики Узбекистан от 7 февраля 2017 года №УП-4947 «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», Постановлением Президента Республики Узбекистан от 9 августа 2017 года №ПП-3190 «о мерах по совершенствованию проведения научных исследований в области сейсмологии, сейсмостойкого строительства и сейсмической безопасности населения и территории Республики Узбекистан» и Постановлением Президента Республики Узбекистан от 28 сентября 2016 года № ПП-2615 «О программе мер по дальнейшему развитию строительной индустрии на 2016-2020 годы», а так же других нормативно-правовых документов, принятых в данной сфере. Целью исследования является разработка методологических основ оптимального проектирования состава многокомпонентных высококачественных высокопрочных бетонов, решение вопросов направленного управления физико-химическими взаимодействиями, протекающими в гидратирующейся среде с учетом поверхностной активности минеральных наполнителей и прогнозирование прочностных и эксплуатационных свойств бетонов. Научная новизна исследований заключается в следующем: усовершенствованы принципы оптимального проектирования многокомпонентных высококачественных бетонов с учетом природы и поверхностной активности минеральных наполнителей; обоснованы зависимости, связывающие кислотно-основные свойства поверхности минеральных наполнителей с процессами структурообразования и синтеза прочностных и эксплуатационных свойств многокомпонентных высококачественных бетонов; разработана новая классификация минеральных наполнителей, позволяющая производить оценку степени их влияния на процессы гидратации и твердения цементных систем на основе критерия (показателя приведенной гидратационной активности-РРёа), характеризующий реакционную способность минеральных наполнителей; установлена корреляционная зависимость, описывающая взаимосвязь между содержанием центров адсорбции на поверхности дисперсных фаз, их активностью при взаимодействии с цементным вяжущим при которых, обеспечиваются необходимые условия для благоприятного течения процессов формирования структуры многокомпонентных высококачественных бетонов; усовершенствована методика оптимального проектирования состава многокомпонентных высококачественных бетонов с минеральными наполнителями на базе усовершенствованного метода математического планирования экспериментов; Заключение На основании результатов проведенных экспериментальнотеоретических исследований по докторской диссертации «Методологические основы оптимального проектирования составов и управление физико-химическими свойствами многокомпонентных высококачественных бетонов» были сформулированы следующие выводы: 1. Получено экспериментальное подтверждение теоретических предпосылок влияния поверхностной- активности минеральных наполнителей природного и техногенного происхождения на процессы физико- химических взаимодействий и превращений протекающих при формировании цементного камня и композита в целом; 2. Проанализирована доступная для промышленного использования база минеральных наполнителей Республики Узбекистан и разработана классификация эффективного сырья, пригодного для разработки бетонов требуемых показателей свойств; 3. Впервые предложен критерий оценки реакционной поверхностной активности минеральных наполнителей по показателю приведенной гидратационной активности (Ppga), позволяющий достоверно оценивать потенциальную реакционную способность определенного вида наполнителя и производить анализ эффективности для конкретной гидратирующей среды. 4. Для оценки возможности применения минерального наполнителя для цементного бетона разработана новая классификация минеральных наполнителей для цементных систем по критерию Ppga Преимущество разработанной классификации заключается в установлении области эффективного применения наполнителя в зависимости от критерия Ppga. По результатам выполненных исследований на уровне микроструктуры бетона показано, что использование предложенного критерия позволяет гарантировать получение высококачественных многокомпонентных бетонов с заранее заданными свойствами. 6. На основании полученных результатов исследований на уровне макроструктуры сделаны выводы об увеличении прочности модифицированного бетона с ростом показателя Ppga, что связано с повышением реакционной активности минерального наполнителя и как следствие обеспечением благоприятных условий для более гидратации цементного вяжущего. В результате этого предпосылки для образования резерва прочности и как замену части цементного глубокой создаются следствие вяжущего оптимизации составов высококачественных с использованием усовершенствованного позволяющие производить минеральными наполнителями. 7. Разработана методика многокомпонентных бетонов метода математического планирования эксперимента. 8. Установлено, что оптимизированные составы многокомпонентных высококачественных бетонов с содержанием модифицированного зольного наполнителя (МЗН) в количестве 3 (Охарактеризуются не только повышенными на 8-10% прочностными показателями, но и улучшенными в среднем на 1 марку эксплуатационными свойствами: водонепроницаемостью и морозостойкостью. 9. Выполнены сравнительные исследования по определению физикомеханических характеристик мелкозернистого бетона с добавкой МЗН и без нее. Результаты проведенных экспериментов показали, что прочностные показатели на сжатие, растяжение при раскалывании и на растяжение при изгибе у оптимизированного состава мелкозернистого бетона увеличиваются на 6,4-10,0 %. Вместе с тем введение МЗН в состав бетона, практически не влияет на величину модуля упругости материала, но в тоже время оказывает существенное влияние на повышение энергетических и силовых параметров механики разрушения (до 37 %), и как следствие повышенную сопротивляемость бетона развитию в нем трещин. 10. Впервые методом лазерной и голографической интерферометрии изучены процессы деформирования мелкозернистого бетона оптимизированного состава с МЗН. Установлено, что частичная замена (30%) цементного вяжущего МЗН приводит к снижению внутренних напряжений, вызванных особенностями протекания физико-химических процессов твердения цементно-зольной минеральной системы, чем и объясняется обеспечение при этом высоких физико-механических показателей материала. 11. В результате выполненных расчетов по существующей методике установлен экономический эффект от внедрения разработанных оптимальных составов многокомпонентного высококачественного бетона в производство сборных железобетонных конструкций, который составил: для предприятия ООО СП «Бинокор» - 69,1 млн. сум., для предприятия ООО «RWS OPTIMUM» - 819,6 млн. сумм.