CC BY
67
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
УДК 666.94.015.7
Д. В. РУДЕНКО1*
1 Каф. «Мгське буд1вництво та господарство», Запорiзька державна шженерна академш, пр. Ленгна, 226, Запорiжжя, Укра!на, 69006, тел. +38 (098) 214 04 85, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-0827-042Х
Ф1ЗИКО-Х1М1ЧНА МОДИФ1КАЦ1Я ЦЕМЕНТНО1 СИСТЕМИ МОНОЛ1ТНОГО БЕТОНУ
Мета. Робота спрямована на розробку наукових основ технологи модифшованого бетону нового поко-лiння для споруд спещального призначення за рахунок управлiння процесами структуроутворення модифь ковано! цементно! системи у природних умовах тверднення. Методика. Для досягнення поставлено! мети: 1) проведет дослвдження реологiчних характеристик модифжованих бетонних сумiшей для споруд спещального призначення та процеав структуроутворення модифшовано! цементно! системи бетону природного тверднення; 2) визначеш методи надшно! оцiнки мiцностi бетону у момент зняття лаштунку й передачi на-вантаження на конструкцi!, в яких бетон не досяг проектно! мщноста. Результати. Автором встановлено, що у модифшованш цементнiй системi, що пдратуеться, у результатi взаeмодi! рiзних макроюшв розвиваеться структуроутворюючий процес iз перевагою активних частин, як1 значно перевищують його дисипативну частину у порiвняннi з нормальними умовами тверднення. Наукова новизна. Встановлеш закономiрностi структуроутворення модифжовано! цементно! системи, армовано! синтезованими добре закристал1зованими спiралеподiбними ниткоподiбними кристалами, мехашчне зчеплення яких розглядаеться як основне джере-ло створення мiцностi у сукупноста з додатковим зчепленням, що досягаеться в результата взаемного проро-стання кристалiв. Практична значимiсть. У процес досл1дження розглянуто пiдвищення в'яжучого потен-цiалу цементу у високомщних бетонах та використання модифiкованих цементних систем в особливих умовах бетонування. Розроблений органо-мшеральний модифiкуючий комплекс, що забезпечуе дисперсне ар-мування цементно! матрицi бетону. Вiн дозволяе, змiнюючи природу поверхнi в'яжучо! речовини i модифiкатора, модифiкувати процес структуроутворення цементно! матрищ. Температурний фактор не чинить негативного впливу на бетон, що твердне, а комплексний модифшатор забезпечуе полшшення фiзико-механiчних характеристик цементно! матрищ й бетону за рахунок первинно! змши стану системи. У модифшованш цементнiй системi, що пдратуеться, в результата взаемодп рiзних макроюшв розвиваеться структуроутворюючий процес iз перевагою активних частин, яш значно перевищують його дисипативну частину в порiвняннi з нормальними умовами тверднення. Результати, отримаш при моделюванш поведiнки модифжовано! цементно! системи, що гiдратуеться, показують, що у системi спостерiгаються коливання концентрацi!' промгжних продуктiв гiдратацi!, яш ототожнюються з виникненням просторово-часово! структури.
Ключовi слова: цементна система; модифiкацiя; структуроутворення; бетон
Вступ
Можливють тдвищення експлуатацшних характеристик бетону для монолнного буд1в-ництва вщкриваеться з переходом до принци-пово ново! технологи, засновано! на застосу-ванш фундаментальних принцишв взаемодп' компонента в'яжучо! системи в бетош [16-19, 20, 24]. Це забезпечуеться модифшуванням компонента цементно! системи, що сприяе шдвищенню ступеня пдратацп в'яжучо! речо-вини й спрямованому структуроутворенню це-ментно! матриц! бетону [6, 8, 10-13].
На основ! виконаних експериментально-теоретичних дослщжень зроблено висновок про
доц!льн!сть об'еднання дек!лькох тип!в актива-ц!йних вплив!в на цементну систему бетону. Прийнято положення, що одержання монолн-них бетон!в з високими експлуатацшними вла-стивостями (ВЕВ) мае засновуватися на ф!зико-х!м!чному модифшуванш цементно! системи бетону. Такий спошб об'еднуе ф!зичну актива-ц!ю цементно! системи з штенсивною х!м!чною взаемод!ею кристалог!дратних новоутворень з речовинами, що вводяться у цементну систему як мшеральш дисперсноармуюч! компонен-ти у склад! спещального органо-мшерального модифшуючого комплексу (ОММК).
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Мета
Розробка наукових основ технологи моди-фшованого бетону нового поколшня для спо-руд спещального призначення за рахунок управлiння процесами структуроутворення мо-дифшовано! цементно! системи у природних умовах тверднення.
Методика
Для досягнення поставлено! мети виконано дослщження реологiчних характеристик моди-фшованих бетонних сумiшей для споруд спещального призначення; процешв структуроутворення модифшовано! цементно! системи бетону природного тверднення; визначено методи на-дшно! оцiнки мiцностi бетону у момент зняття опалубки й передачi навантаження на конструкций в яких бетон не досяг проектно! мщносп.
Результати
Фiзико-хiмiчне модифiкування цементно! системи бетону визначае можливiсть регулю-вання !! властивостей, що дозволяе поряд з ш-тенсифiкацiею тверднення спрямовано оптимь зувати структуру цементно! матрищ бетону. Цей процес забезпечуе рют мiцностi бетону при стиску й, особливо, при згиш, що забезпечуе шдвищення довговiчностi бетону. Фiзико-хiмiчна модифiкацiя цементно! системи дозволила виявити додатковi резерви полiпшення реолопчних i мiцнiсних властивостей бетонно! сумiшi i бетону за рахунок прикладення техно-логiчних впливiв певно! штенсивносп, конгру-ентних фiзико-хiмiчним умовам переб^у про-цесiв гiдратацi! цементно! системи [22].
Виршення поставлено! проблеми е актуаль-ним для розвитку технологи зведення монол№ них будiвель в Укра!нi.
Теорiя гiдратацiйного структуроутворення все ще не стала «динамiчною теорiею» i знач-ною мiрою залишаеться «кiнематичною схемою», що тшьки пов'язуе мiж собою параметри системи, але практично не визначае мехашзму !! змiни й оптимальносп структуроутворення [9, 17, 23]. У ходi дослiджень зроблено висно-вок про юнування резерву керування цими процесами. Це особливо важливо за необхщно-ст одержання бетонiв ВЕВ [14, 15].
Процеси прискорення тверднення монол№ ного бетону дозволяють скоротити викорис-тання опалубки до доби, якщо пiсля початково! активацii вони тривають у режимi вiдводу тепла [1, 2, 5].
Модифшування цементно! системи бетону для монол^ного будiвництва передбачае вплив на хiмiчнi процеси, що вщбуваються при пдра-тацii клiнкерних мiнералiв i структуроутворен-нi цементно! матрищ [3, 21]. Тому вибiр моди-фiкаторiв здiйснювався з урахуванням !х хiмiч-но! активностi стосовно клшкерних мiнералiв, особливо алюмiнатiв кальцiю [4, 7, 9].
Попередш дослщження показали дощль-нiсть введення до складу органо-мшерального модифiкуючого комплексу (ОММК) цементно! системи бетону спещально синтезованих спо-лук Ме2(0Н)зС1-4И20 i Мез(ОН)5СНН2О, що е основними продуктами реакци в системi Mg0 - MgC12 - Н20 в нормальних умовах тверднення. Ц сполуки виконують роль дисперсного армуючого компонента цементно! матрищ бетону.
Пдрат хлороксиду магшю утворюеться у формi добре закристатзованих голок, якi описанi як спiралеподiбнi трубчастi ниткопод> бнi кристали. Мехашчне зчеплення цих нитко-подiбних кристатв розглядаеться як основне джерело створення мщносп поряд з додатко-вим зчепленням, що досягаеться в результат взаемного проростання кристалiв, коли вони стикаються один з одним. Уповшьнене тужа-вiння i швидке тверднення модифшовано! це-ментно! системи бетону дозволяе використову-вати такi бетонш сумiшi для бетононасосного транспорту та транспортувати !х на великi вщ-станi пiд час зведення монол^них будiвель.
Дослiдження утворення i перетворення фаз пдраив хлороксиду магнiю виконувалися на зразках, виготовлених з рiзними вiдношеннями Mg0/MgC12 i постiйним масовим вщношенням H20/Mg0=2. Результати дослiджень наведено у табл. 1.
Дослщженнями встановлено, що утворення i перетворення фаз гiдратiв хлороксиду магшю е функщею вiдношення Mg0/MgC12. При молярному вщношенш Mg0/MgC12<4 утворюеться Mg3(0H)5C1•4H20 з надлишком MgC12.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Утворення i перетворення фаз у racreMi MgO - MgCl2 - H2O
The formation and transformation of phases in the system MgO - MgCl2 - H2O
Таблиця 1
Table 1
Молярне вщношення Час, д1б Тдентифжоваш )ази
MgO Mg(OH)2 Mg3(OH)5Cl 4H2O Mg2(OH)3Cl 4H2O MgCl2-2MgCO3-Mg(OH)2-6H2O
MgO/MgCl2: 1/12 (2 год) ++ - +++
3 1 Слвди - +++ + Слщи
5 - - ++ ++ те саме
8 - - + +++ «
15 - -
4 1/8 (3 год) + - +
1 + - ++ Слщи
4 +++
66 +++
5 1/6 (4 год) 1 7 + + Слщи ++ +++ +++
6 127 + +++ Слщи ++
7 1 +++
9 +++ ++ Слщи Слвди
22 ++ +
62 ++ +
8 1 +++
29 ++ +++ + ++ +
69 ++ ++ + ++
75 ++ Слвди +
128 +++ Слщи
Mg(OH)2/ 10 +++
MgCl2=5
Прим1тка: + невелика шлькють, ++ середня шлькють, +++ велика шльшсть.
З часом Mg3(0H)5C1•4H20 перетворюеться у Mg2(0H)3C1•4H20. Швидкiсть перетворення зростае при зниженш вiдношення Mg0/MgC12. Стiйка сполука Mg3(0H)5C1•4H20 утворюеться при молярному вщношенш 4<Mg0/MgC12<6. Якщо замiсть Mg0 з розчином MgC12 реагуе Mg(0H)2 (при молярному вщношенш Mg(0H)2/MgC12=5), то переважаючою фазою е Mg2(0H)зC1•4H20. Сполуки Mg(0H)2 i Mg2(0H)3Q•4H20 утворюються при молярно-
му вщношенш MgO/MgCl2>6. При такому вщношенш сполука Mg2(OH)3Cl-4H2O нестшка i перетворюеться у Mg3(OH)5Cl-4H2O. Швид-юсть реакци перетворення низька i зменшу-еться при збiльшеннi вщношення MgO/MgCl2. З часом к1льк1сть MgCl2-2MgCO3-Mg(OH)2-6H2O збiльшуеться у всiх зразках в результат! реакци з атмосферним СО2.
Мiкроструктура новоутворень цементно! системи з хлороксидом магшю (у межах стаб>
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
льносп Mg3(OH)5Cl4H2O як переважаючо! фа-зи) дослщжувалася на зразках, виготовлених з теоретично розрахованою кшьюстю води, не-обхщно! для проектного ступеня пдратаци, i молярним вщношенням MgO/MgCl2=5,68. Спостереження за допомогою скануючого еле-ктронного мiкроскопа виконанi на поверхнях зламiв, отриманих при розривi висушених зраз-кiв, покритих шаром сплаву, що складаеться з 60 % Au i 40 % Pd.
Результати дослщжень дозволили висунути таку гiпотезу розвитку мiкроструктури модиф> ковано! цементно! системи. Кристали пдрату хлороксиду магнiю швидко ростуть в просторi мiж гiдратними новоутвореннями клшкерних мiнералiв. У результатi цього виникае мехашч-не зчеплення, яке зумовлюе розвиток початко-во! мiцностi i жорсткосп. Оскiльки для вшьно-го росту кристашв недостатньо простору, то кристали взаемно проростають, утворюючи щшьну структуру, яка зумовлюе зростання м> цностi. Утворення голчастих кристалiв не роз-глядаеться як безумовна вимога для тверднен-ня. Мiцнiсть залежить вщ утворення продуктiв реакци, якi заповнюють вiльний простiр, що призводить до формування щшьно! мшростру-ктури з мшмальною пористiстю. Очевидно, сприяе цьому характерне зростання голчастих i ниткоподiбних кристалiв. Крива наростання границi мщносп модифшовано! цементно! системи наведена на рис. 1 у зютавленш з аналоп-чною кривою цементного тюта.
Модифiкована цементна система
<о> <о> &
* о
ТГ ^ 'N' л?' ^
Тривалiсть тверднення
Рис. 1. К!нетика зм!ни мщносп при стисненш цементно! матриц! бетону Fig. 1. The kinetics of the changes in the compressive strength of the cement matrix of concrete
У дослщженнях використаний портландцемент М 500. Р!зниця в наростанш мщносп очевидна. Оскшьки немае помпно! змши в мшро-структур!, зменшення м!цност! зразюв модиф>
ковано1 цементно1 системи, яке тимчасово вщ-бувалося у вщ 1 доби, можна пояснити напруженням при розтяганш, викликаним усадкою, яка спостерталася через 1 добу тверднення. Ранне зростання мщносп зразюв цементно! системи з хлороксидом магшю у першi 24 год вщповщае спостереженням, виконаним за допомогою скануючого електронного мшро-скопа. Поява перших голчастих кристатв вияв-лена через 2 год тсля приготування модифшо-вано! цементно! системи, перш шж система почала набирати мщшсть (рис. 2). До 4 год рют кристалiв значно прискорився, що призвело до утворення мшроструктури, наведено! на рис. 3. Надалi мiкроструктура не показала шяких зм!н, за винятком поступового зменшення пористости
PHC. 2. ®OTOipa$ia MiKpocrpyKiypH Mogn^iKOBaHo! цементноi CHCTeMH y Bim 2 rog (x3 000)
Fig. 2. A photograph of the microstructure of the modified cement system at the age of 2 h (X3 000)
PHC. 3. ®OTOipa$ia MiKpocrpyKiypH Mogn^iKOBaHoi' ^MeHiHoi cncreMH y вiцi 4 rog (x2 000)
Fig. 3. A photograph of the microstructure of the modified cement system at the age of 4 h (X2 000)
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
З викладеного можна зробити висновок: при молярному вщношенш 6>Mg0/MgC12>4 переважае стшка кристалiчна фаза Mg3(0H)5C1•4H20. Ця фаза при твердненш мо-нолiтного бетону за позитивних температур тд дiею атмосферного СО2 повшьно переходить у MgC12•2MgC0з•Mg(0H)2•6H20. Це перетворення вщбуваеться переважно на поверхш i незначно впливае на мщшсть модифiкованоi цементно! матрицi бетону. Якщо бетон пiддаеться впливу дощу, то переважною фазою на його поверхш е сполука 4MgC03•Mg(0H)2•4H20, як це було виявлено в зразку-призмi розмiром 4^4^16 см. Усерединi цього зразка переважаючою фазою був гiдрат Mg3(0H)5C1•4H20, але, крiм того, були присутш Mg(0H)2 i MgC12•2MgC0з•Mg(0H)2•6H20.
Механiчнi властивосп цементно! системи з мiнеральним модифшатором при рiзних вщ-ношеннях Mg0/MgC12 i при постiйному молярному вщношенш H20/Mg0=3,5 (або 1,56 - ма-сове вiдношення) наведенi на рис. 4.
Триватсть тверднення, д1б
а) мщшсть при стиску
60 -90-
Триватсть тверднення, д1б
б) мщшсть при згаш
PHC. 4. KrneTHKa 3MiHH мiцностi Mogu^iKOBaHOi Mmepa^bHHM K0Mn0HeHT0M цементнoi CHCTeMH
3 pi3HHM MonapHHM BigHomeHHaM MgO/MgCl2:
1 - MgO/MgCl2=5,4; 2 - MgO/MgCl2=5,9; 3 - MgO/MgCl2=6,38; 4 - MgO/MgCl2=6,85
Fig. 4. The kinetics of the changes in strength of the modified mineral component in cement systems with different molar ratio of MgO/MgCl2:
1 - MgO/MgCl2=5,4; 2 - MgO/MgCl2=5,9; 3 - MgO/MgCl2=6,38; 4 - MgO/MgCl2=6,85
Кращi результати отриманi на зразках з мо-лярним вiдношенням Mg0/MgC12=5,4 i 5,9.
Наукова новизна та практична значимкть
Встановленi закономiрностi структуроутворення модифшовано! цементно! системи, армо-вано! синтезованими добре закристалiзованими спiралеподiбними ниткоподiбними кристалами, механiчне зчеплення яких розглядаеться як ос-новне джерело створення мiцностi у сукупностi з додатковим зчепленням, що досягаеться в результат взаемного проростання кристалiв.
Запропонована технологiя забезпечуе пщ-вищення в'яжучого потенцiалу цементу у висо-комiцних бетонах та використання модифшо-ваних цементних систем в особливих умовах бетонування. Розроблений органо-мшеральний модифшуючий комплекс, що забезпечуе диспе-рсне армування цементно! матрищ бетону, який дозволяе, змшюючи природу поверхш в'яжучо! речовини i модифiкатора, модифiкувати процес структуроутворення цементно! матрицi. Темпе-ратурний фактор не чинить негативного впливу на бетон, що твердне, а комплексний модифша-тор забезпечуе полшшення фiзико-механiчних характеристик цементно! матрицi й бетону за рахунок первинно! змiни стану системи.
Висновки
1. Розроблений органо-мшеральний мо-дифшуючий комплекс, що забезпечуе дисперс-не армування цементно! матрищ бетону. Вве-дення у цементну систему хiмiчно активних компонентiв полiфункцiональноi дii дозволяе, змiнюючи природу поверхш в'яжучо! речовини i модифiкатора (гщрофшьшсть, заряд, будову подвiйного електричного шару, концентращю поверхневих активних ансамблiв), у широких межах модифшувати процес структуроутворення цементно! матрищ. При цьому темпера-турний фактор не чинить негативного впливу на бетон, що твердне, а комплексний модифша-тор забезпечуе полшшення фiзико-механiчних характеристик цементно! матрищ й бетону за рахунок первинно! змши стану системи.
2. Встановлено, що у модифшованш це-ментнш систем^ що гщратуеться, в результат взаемодii рiзних макроiонiв розвиваеться стру-ктуроутворюючий процес iз перевагою актив-
70
65
60
55
50
45
40
7
28
них частин, яю значно перевищують його ди-сипативну частину порiвняно з нормальними умовами тверднення. Результати, отримаш при моделюваннi поведшки модифшовано! цементно! системи, що пдратуеться, показують, що у системi спостерiгаються коливання концент-раци промiжних продуктiв гiдратацi!, якi ото-тожнюються з виникненням просторово-часово!структури.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Анпилов, С. М. Опалубочные системы для монолитного строительства / С. М. Анпилов. -Москва : АСВ, 2005. - 280 с.
2. Анпилов, С. М. Технология возведения зданий и сооружений из монолитного железобетона / С. М. Анпилов. - Москва : АСВ, 2010. - 592 с.
3. Дейнега, Ю. Ф. Дисперсные системы в электрических полях / Ю. Ф. Дейнега // Укр. хим. журн. - 2001. - Т. 67, № 3. - С. 13-18.
4. Изотов, В. С. Химические добавки для модификации бетона / В. С. Изотов, Ю. А. Соколова. - Москва : Палеотип, 2006. - 244 с.
5. Лермит, Р. Проблемы технологии бетона / Р. Лермит. - Москва : ЛКИ, 2007. - 296 с.
6. Рабинович, Ф. Н. Композиты на основе дисперс-ноармированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции / Ф. Н. Рабинович. - Москва : АСВ, 2004. - 560 с.
7. Руденко, Н. Н. Тяжелые бетоны с высокими эксплуатационными свойствами / Н. Н. Руден-ко. - Днепропетровск : Арт-Пресс, 1999. - 260 с.
8. Файнер, М. Ш. Высокопрочный бетон / М. Ш. Файнер. - Черновцы : Рута, 2007. - 217 с.
9. Хердтл, Р. Долговечность бетонов на основе многокомпонентных цементов / Р. Хердтл, М. Дитерманн, К. Шмидт // Цемент и его применение. - 2011. - № 1. - С. 76-80.
10. Aitcin, P. C. The Art and Science of Durable High-Performance Concrete / P. C. Aitcin // Proc. of Nelu Spiratos Symposium. Committee for the Organization of CANMET / ACI Conferences. -Cody, USA : ACI-NA, 2003. - P. 69-88.
11. Bolshakov, V. I. Contact strength of mechanoacti-vated fane concretes from granulated blast-furnace slags / V. I. Bolshakov, М. O. Yelisieieva, S. A. Shcherbаk // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту. залiзн. трансп. -2014. - № 5 (53). - P. 138-149. doi: 10.15802/-stp2014/29975.
12. Collepardi, M. Innovative Concretes for Civil Engineering Structures: SCC, HPC and RPC / M. Collepardi // Proc. of the Workshop on New
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Technologies and Materials in Civil Engineering.
- Milan, 2003. - P. 1-8.
13. Collepardi, M. The New Concrete / M. Collepardi.
- Milan : Published by Grafishe Tintoretto, 2006.
- 421 p.
14. Hanehara, S. Rheology and early age properties of cement systems / S. Hanehara, K. Yamada // Cement and Concrete Research. - 2008. - Vol. 38. -Iss. 2. - P. 175-195. doi: 10.1016/j.cemcon-res.2007.09.006.
15. Gjorv, O. E. High Strength Concrete / O. E. Gjorv // Advanced in Concrete Technology. - Canada. -2007. - P. 21-79.
16. Ivanova, H. P. Analisis and application prospects of effective resources-saving technologies in concrete manufacture / H. P. Ivanova, O. I. Trufanova // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту. залiзн. трансп. - 2014. -№ 5 (53). -Р. 150-156. doi: 10.15802/stp2014/30453.
17. Malhotra, V. M. High-Performance, High-Volume Fly Ash Concrete. Supplementary Cementing Materials for Sustainable Development Inc. / V. M. Malhotra, P. K. Mehta. - Ottawa : Canadian Science Publishing, 2002. - 101 p.
18. Mechanical Properties of Modified Reactive Powder Concrete / S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli, M. Collepardi // The Proc. of the Fifth Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete : ACI Publication SP-173. - Roma, Italy, 1997. - P. 1-21.
19. Middendorf, B. Nanoscience and nanotechnology in cementitious materials / B. Middendorf, N. B. Singh // Cement International. - 2006. -№ 4. - P. 80-86.
20. Neville, A. M. Wlasciwosci betonu / A. M. Neville. - Crakow : Polski Cement, 2000. - 874 p.
21. Plank, J. Impact of zeta potential of early cement hydration phases on super- plasticizer adsorption / J. Plank, C. Hirsh // Cement and Concrete Research. - 2007. - Vol. 37. - Iss. 4. - P. 537-542. doi: 10.1016/j.cemconres.2007.01.007.
22. Rudenko, D. Properties of the phase components of the modified cement system / D. Rudenko // TEKA Kom. Mot. I Energ. Roln. - 2013. - Vol. 13, № 4. - P. 218-224.
23. Rudenko, N. The Development of Conception of New Generation Concretes / N. Rudenko // TEKA Kom. Mot. I Energ. Roln. - 2010. - Vol. XB. -P. 128-133.
24. Rudenko, N. Technology of shotcreting based on activated binder / N. Rudenko // TEKA Kom. Mot. i Energ. Roln. -2014. - Vol. 14, № 1. -P. 222-228.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО
Д. В. РУДЕНКО1*
1 Каф. «Городское строительство и хозяйство», Запорожская государственная инженерная академия, пр. Ленина, 226, Запорожье, Украина, 69006, тел. +38 (098) 214 04 85, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-0827-042X
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ЦЕМЕНТНОЙ СИСТЕМЫ МОНОЛИТНОГО БЕТОНА
Цель. Работа направлена на разработку научных основ технологии модифицированного бетона нового поколения для сооружений специального назначения за счет управления процессами структурообразования модифицированной цементной системы в естественных условиях твердения. Методика. Для достижения поставленной цели: 1) проведены исследования реологических характеристик модифицированных бетонных смесей для сооружений специального назначения и процессов структурообразования модифицированной цементной системы бетона естественного твердения; 2) определены методы надежной оценки прочности бетона в момент снятия опалубки и передачи нагрузки на конструкции, в которых бетон не достиг проектной прочности. Результаты. Автором установлено, что в гидратирующейся модифицированной цементной системе в результате взаимодействия различных макроионов развивается структурообразующий процесс с преимуществом активных частей, которые значительно превышают его диссипативную часть по сравнению с нормальными условиями твердения. Научная новизна. Установлены закономерности структурообразования модифицированной цементной системы, армированной синтезированными хорошо закристаллизованными спиралевидными нитевидными кристаллами, механическое сцепление которых рассматривается как основной источник создания прочности в совокупности с дополнительным сцеплением, достигаемым в результате взаимного прорастания кристаллов. Практическая значимость. В процессе исследования рассмотрено повышение вяжущего потенциала цемента в высокопрочных бетонах и использование модифицированных цементных систем в особых условиях бетонирования. Разработан органо-минеральный модифицирующий комплекс, обеспечивающий дисперсное армирование цементной матрицы бетона, который позволяет, изменяя природу поверхности вяжущего вещества и модификатора, модифицировать процесс структурообразования цементной матрицы. Температурный фактор не оказывает негативного действия на твердеющий бетон, а комплексный модификатор обеспечивает улучшение физико-механических характеристик цементной матрицы и бетона за счет первичного изменения состояния системы. В модифицированной гидратирующейся цементной системе в результате взаимодействия различных макроионов развивается структурообразующий процесс с преимуществом активных частей, которые значительно превышают его диссипативную часть по сравнению с нормальными условиями твердения. Результаты, полученные при моделировании поведения гидратирующейся модифицированной цементной системы, показывают, что в системе наблюдаются колебания концентрации промежуточных продуктов гидратации, которые отождествляются с возникновением пространственно-временной структуры. Ключевые слова: цементная система; модификация; структурообразование; бетон
D. V. RUDENKO1*
1 Dep. «Urban Construction and Management», Zaporizhzhia State Engineering Academy, Lenin Av., 226, Zaporizhzhia, Ukraine, 69006, tel. +38 (098) 214 04 85, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-0827-042X
PHYSICO-CHEMICAL MODIFICATION OF MONOLITHIC
CONCRETE CEMENT SYSTEM
Purpose. The paper is aimed to the development of scientific bases of the technology of modified concrete of new generation for special facilities by managing the processes of structure formation of modified cement system in conditions of hardening. Methodology. For the achievement the goal: 1) the research of rheological characteristics of modified concrete mixes for special facilities purpose and processes of structure formation of modified cement system of natural curing concrete was conducted; 2) there were defined methods of reliable evaluation of concrete strength at the removal time of formwork and transmission of loads to the constructions where the concrete has not reached the designed strength. Findings. The author found that the structure formation process develops in the hy-drating modified cement system as a result of interaction of various macroions. In this process its active parts pre-
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^mnponeTpoBctKoro Ha^oH&atHoro yHiBepcHTeTy 3&ri3HHHHoro TpaHcnopTy, 2015, № 6 (60)
vail, which considerably exceed its dissipative part compared to normal conditions of hardening. Originality. There were established the regularities of structure formation of modified cement system, reinforced with synthesized, well crystallized helical filamentary crystals, mechanical grip of which is considered as a principal source of strength in combination with an additional coupling achieved due to cross-germination of crystals. Practical value. In the study the increased binding capacity of cement in high strength concretes and the use of modified cement systems in the special conditions of concreting were considered. The organo-mineral modifying complex that provides the dispersed reinforcement of concrete cement matrix which allows modifying the process of cement matrix structure formation by changing the nature of the surface of binder and modifier was developed. The temperature factor has no negative influence on the hardening concrete and complex modifier provides the improved physico-mechanical characteristics of cement matrix and concrete by means of the primary changes in the system state. In the modified hydrating cement system as a result of interaction of various macroions the structure-forming process with advantage of active parts, which significantly exceed its dissipative part of the normal conditions of hardening are developing. The results of modeling the behavior of modified hydrating cement system show that fluctuations in the concentration of intermediate hydration products are observed in the system. They are identified with the emergence of spatiotemporal structure.
Keywords: cement system; modification; structure formation; concrete
REFERENCES
1. Anpilov S.M. Opalubochnyye sistemy dlya monolitnogo stroitelstva [Formwork systems for monolithic construction]. Moscow, ASV Publ., 2005. 280 p.
2. Anpilov S.M. Tekhnologiya vozvedeniya zdaniy i sooruzheniy iz monolitnogo zhelezobetona [The technology of building and structures of reinforced concrete]. Moscow, ASV Publ., 2010. 592 p.
3. Deynega Yu.F. Dispersnyye sistemy v elektricheskikh polyakh [Disperse systems in electric fields]. Ukrain-skiy khimicheskiy zhurnal - Ukrainian Chemical Journal, 2001, vol. 67, no. 3, pp. 13-18.
4. Izotov V.S., Sokolova Yu.A. Khimicheskiye dobavki dlya modifikatsii betona [Chemical additives for concrete modification]. Moscow, Paleotip Publ., 2006. 244 p.
5. Lermit R. Problemy tekhnologii betona [The problems of concrete technology]. Moscow, LKI Publ., 2007. 296 p.
6. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersnoarmirovannykh betonov. Voprosy teorii i proyektirovaniya, tekhnologiya, konstruktsii [Composites based on dispersion-reinforced concrete. Theory and design, technology, construction]. Moscow, ASV Publ., 2004. 560 p.
7. Rudenko N.N. Tyazhelyye betony s vysokimi ekspluatatsionnymi svoystvami [Heavy concretes with high performance properties]. Dnepropetrovsk, Art-Press Publ., 1999. 260 p.
8. Fayner M.Sh. Vysokoprochnyy beton [High-strength concrete]. Chernovtsy, Ruta Publ., 2007. 217 p.
9. Kherdtl R., Ditermann M., Shmidt K. Dolgovechnost betonov na osnove mnogokomponentnykh tsementov [Durability of concretes on the basis of multi-component cements]. Tsement i ego primeneniye - Cement and its Application, 2011, no. 1, pp. 76-80.
10. Aitcin P.C. The Art and Science of Durable High-Performance Concrete. Proc of Nelu Spiratos Symposium. Committee for the Organization of CANMET / ACI Conferences. Cody, USA, ACI-NA Publ., 2003, pp. 6988.
11. Bolshakov V.I., Yelisieieva M.O., Sccherbak S.A. Contact strength of mechanoactivated fine concretes from granulated blast-furnace slags. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho univer-sytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2014, no. 5 (53), pp. 138-149. doi: 10.15802/stp2014/29975.
12. Collepardi M. Innovative Concretes for Civil Engineering Structures: SCC, HPC and RPC. Proc. of the Workshop on New Technologies and Materials in Civil Engineering. Milan, 2003, pp. 1-8.
13. Collepardi M. The New Concrete. Milan, Published by Grafishe Tintoretto Publ., 2006. 421 p.
14. Hanehara S., Yamada K. Rheology and early age properties of cement systems. Cement and Concrete Research, 2008, vol. 38, issue 2, pp. 175-195. doi: 10.1016/j.cemconres.2007.09.006.
15. Gjorv O.E. High Strength Concrete. Advanced in Concrete Technology. Canada, 2007, pp. 21-79.
16. Ivanova H.P., Trufanova O.I. Analisis and application prospects of effective resources-saving technologies in concrete manufacture. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2014, no. 5 (53), pp. 150-156. doi: 10.15802/stp2014/30453.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
17. Malhotra V.M., Mehta P.K. High-Performance, High-Volume Fly Ash Concrete. Supplementary Cementing Materials for Sustainable Development Inc. Ottawa, Canadian Science Publishing Publ., 2002. 101 p.
18. Collepardi S., Coppola L., Troli R., Collepardi M. Mechanical Properties of Modified Reactive Powder Concrete. The Proc. of the Fifth Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete: ACI Publication SP-173. Roma, Italy, 1997, pp. 1-21.
19. Middendorf B., Singh N.B. Nanoscience and nano-technology in cementitious materials. Cement International, 2006, no. 4, pp. 80-86.
20. Neville A.M. Wlasciwosci betonu. Crakow, Polski Cement Publ., 2000. 874 p.
21. Plank J., Hirsh C. Impact of zeta potential of early cement hydration phases on super- plasticizer adsorption. Cement and Concrete Research, 2007, vol. 37, issue 4, pp. 537-542. doi: 10.1016/j.cemconres.2007.01.007.
22. Rudenko D. Properties of the phase components of the modified cement system. TEKA Kom. Mot. I Energ. Roln, 2013, vol. 13, no. 4, pp. 218-224.
23. Rudenko N. The Development of Conception of New Generation Concretes. TEKA Kom. Mot. I Energ. Roln., 2010, vol. XB, pp. 128-133.
24. Rudenko N. Technology of shotcreting based on activated binder. TEKA Kom. Mot. i Energ. Roln., 2014, vol. 14, no. 1, pp. 222-228.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. А. Банахом (Украгна); д.т.н., проф. М. I. Нетесою (Украгна)
Надшшла до редколегп 02.09.2015 Прийнята до друку 30.10.2015
