CC BY
37
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО
УДК 691.3:625.142.42
В. В. КОВАЛЕНКО1*, Ю. Л. ЗАЯЦЬ2*, П. О. ПШ1НЬКО3*, С. В. КОВАЛЕНКО4
1 Каф. «Безпека житлодяльносп», Дтпропетровський нацюнальний утверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (050) 489 07 72, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-1196-7730
2*Каф. «Безпека жиподяльносп», Днiпропетровський нацюнальний унiверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 81, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-9213-1790
3*Каф. «Будшельне виробництво та геодезш», Дтпропетровський нацюнальний утверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украгна, 49010, тел. +38 (095) 742 04 34, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4187-5340
4ПП «Лопя», вул. Червона, 19-А, Днiпропетровськ, Украгна, 49000, тел. + 38 (050) 34 00 716, ел. пошта [email protected]
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ В БЕТОНАХ П1ДРЕЙКОВИХ ОСНОВ
Мета. Робота передбачае виявлення залежносп структурних та мехашчних властивостей бетону ввд складу застосованих добавок-модифiкаторiв, характеру змiн структурних та мехашчних властивостей в залежносп ввд строку твердiння бетону контрольних i модифiкованих зразкiв. Методика. Застосоваш мiкроструктурний, фрактографiчний, мiкрорентгеноспектральний аналiзи та фiзико-механiчнi випробування дозволили виявити необхвдт залежностi. Результата. Мiкроструктура цементного каменю при рiвних умовах подбору бетонних сумшей залежить ввд складу застосованих сировинних матерiалiв та технологи виробництва. В робот дослвджуються структурнi перебудови пвд час тужавiння бетонiв на жорстких сумiшах та вплив складових частин комплексно! добавки-модифiкатора ПЛКП (виробництва 1111 «Лопя», м. Днiпропетровськ) на морфологш, дисперснiсть та хiмiчний склад цементного каменю. Визначаеться також мехашчш характеристики бетону для пвдрейкових основ. Дослвдження структурних та фiзико-мехашчних характеристик контрольних зразкiв та модифжованих бетонiв на рiзних стадiях тужавшня показали, що застосування гiперпластифiкаторiв ПЛКП украшського виробництва сприяе формуванню наноструктурованого бетону. Додавання у склад добавки на основi суперпластифiкаторiв прискорювачiв твердшня сприяе зменшенню дiаметру пучкiв ниткоподiбних кристалiв, що збiльшуе структурну однорвдшсть, стабiльнiсть та п1двищуе комплекс мехашчних характеристик бетону. Застосування нових полшарбоксилатних добавок ПЛКП у виробнищта бетонних сумшей для пiдрейкових основ дозволяе ви-ключити пропарювання з технологи виробництва тдрейкових основ. Вiдсутнiсть сольово! складово! у добавцi сприяе пвдвищенню довговiчностi бетону. Наукова новизна. В робоп виявлено, що модифiкацiя бетону комплексною добавкою ПЛКП сприяе формуванню найбшьш однородно! структури цементного каменю, яка складаеться з компактних кристалiв, оточених ниткоподiбними кристалами, якi щшьно переплетенi в поровому просторi. Така структура сприяе максимальним характеристикам мщносп бетону при стисненнi. При цьому пропарювання за традицiйною технологiею сприяе збшьшенню розмiрiв первинних етрингiтних кристалiв, що мають схильнiсть до реструктуризаци у процесi експлуатацil залi-зобетонних виробiв при температурах близько 20° С. Практична значимкть. Регулювання технолопчних параметрiв виробництва пiдрейкових основ, а саме - зниження температури пропарювання, або вилучення цiеl операцil iз технологiчного циклу виготовлення залiзобетонних шпал, при використанш добавки ПЛКП дозволяе тдвищити структурну однорiднiсть i стабшьшсть, збiльшити щiльнiсть бетону та в результата позитивно впливати на його довговiчнiсть.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
Ключовi слова: бетон; мжроструктура цементного каменю; ниткопод1бш кристали; строки тужавшня; пропарювання; пластиф1катор бетонно! сумшц прискорювач тужавшня; пвдрейков1 основи
Вступ
Сучасний стан залiзобетонних шдрейкових основ в Укра1ш потребуе не тшьки регулярного оновлення для попередження обмежень у шви-дкiсному режимi потягiв, але i мае необхщшсть в реконструкци для впровадження швидюсного руху подiбно залiзничним транспортним мережам розвинутих кра!н свiту. Для впровадження швидюсного руху наша держава мае вс переваги: великий науковий та промисловий потенщ-али, багат родовища якiсного гранiту, рiчково-го та кварцового пiску, велику кшьюсть це-ментних заводiв, мае сировинну базу для ви-робництва яюсних вiтчизняних модифiкаторiв цементного каменю в бетонах та розвинуту ме-тадургшну промисловiсть. Але застарiла техно-логiя виробництва, вiдсутнiсть надежного контролю за вщповщшстю показникiв якост сиро-винних матерiадiв створюе iнодi проблеми з довговiчнiстю виготовлених в Украш задiзобетонних пiдрейкових основ. Так, за ста-тистичними даними, бшьше нiж 50 вiдсоткiв аварiй та сходiв вантажних вагонiв на перегонах мереж залiзниць Украши пов'язано iз станом колiйного господарства.
Залiзобетоннi шпади та безбадастне мостове полотно е найбшьш вiдповiдальними за безпеч-ну експлуатацiю залiзничних колш i безпечний рух поlздiв. В умовах 1х експлуатацп поедну-ються значнi динамiчнi навантаження з агре-сивним впливом оточуючого середовища. Тому, наряду з виключенням причин утворення макроконцентраторiв напруження в бетонi шдрейкових основ, необхщно збiльшувати структурну однорщнють як цементного каменю, так i композицiйного матерiаду - бетону в цшому, що знижуе вiрогiднiсть виникнення трiщин, а також попереджуе структурш пере-будови цементного каменю в процес експлуатацп [2-3, 5, 10, 18-20].
Мета
Дослщження структуроутворення в бетонах з використанням вiтчизняних комплексних добавок ПЛКП для виробництва залiзобетонних пiдрейкових основ та виявлення впливу без-
пропарювально! технологи на формування цементного каменю та його схильност до рекрис-тадiзацil в процес експлуатацп.
Об'ектом досл1дження були бетони на ос-новi жорстких сумшей на рiзних стадiях тужа-вiння, якi модифiкованi вiтчизняною добавкою ПЛКП виробництва 1111 «Лопя», м. Дншропет-ровськ.
Методика
В роботi застосовано макро- та мшроскошч-нi, фрактографiчнi та мiкрорентгеноспектрадьнi методи дослiдження структури цементного каменю та фiзико-механiчнi випробування бетону на рiзних стадiях тужавiння.
Дослiдження в областi розробки безпропа-рювадьно! технологп виробництва бетону для залiзничних шпал виконувади багато вчених, у тому чи^ вченими харювсько! науково! школи [4, 13-14, 16-17]. Основним завданням було тдвищення довговiчностi та надiйностi бетонних конструкцш шляхом введення 1 % вщ маси цементу хлориду кадьцiю та добавки С-3 [4, 13-14, 16]. Застосування хлорiонiв в добавцi дозволяе прискорити процеси твердiння, аде при цьому неможливо виключати процеси реструктуризаци цементного каменю в процесi експлуатацп виробiв, якi швидко, протягом 1-5 роюв, руйнують бетон [18].
1ншим альтернативним шляхом е застосування ново1 технологп, яка забезпечуе висою фiзико-механiчнi характеристики бетону та водночас попереджуе руйшвш процеси як на поверхш, так iз середини бетону. Подiбнi характеристики можна досягнути тдвищенням структурно1 однорiдностi та дисперсност крис-тадiв цементного каменю за рахунок !х модиф> кацп, зменшуючи капiлярну i збiльшуючи геле-ву пористють. При цьому потрiбно виключати можливiсть введення в бетон сировинних мате-рiалiв, що мають здатшсть вступати в процесi експлуатацп виробiв у вiдносно швидкоплиннi хiмiчнi реакцп, якi створюють новi фазовi скла-довi з питомими об'емними характеристиками такими, що в^^зняються вiд рекристатзова-них фаз. Крiм того, важливо здiйснювати суво-рий контроль за дотриманням вимог державних
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
стандарт, у тому числ1 за яюстю фракцшного розшву крупних заповнювач1в та виключенням i3 сировинних матер1ал1в щебеню з кристалами слюди або кальциту, якi перевищують розмiр граней щебеню, для забезпечення адгези до цементного каменю [2-3, 5, 18]. Для дрiбних за-повнювачiв, якi застосовуються для виробниц-тва шпал в Укра!ш, ^м вмiсту реакцшноспро-можного компоненту, необхщно суворо кон-тролювати вмiст вапняку та глиноземних грудок, якi е концентраторами напруги пiд час експлуатаци пiдрейкових основ [5].
Таким чином, при виключенш всiх можли-вих випадюв формування структурних макро-неоднорщностей, необхiдно забезпечення мш-роструктурно! однорщност цементного каменю, як найслабшо! ланки в композитному складi бетону. Зазначена мета досягаеться ба-гатьма методами: диспергуванням та модифiкацiею цементного каменю, зменшен-ням долi цементу в бетоннш сумiшi, зменшен-ням застосовано! води затворювання за рахунок пластифшуючих добавок. У свою чергу, змен-шення долi цементу здшснюетъся за рахунок або збшьшення долi крупних або дрiбних за-повнювачiв, або замiщенням долi пiску граштним вiдсiвом, або застосуванням мiнеральних добавок. Подiбнi прийоми пiдвищення фiзико-механiчних властивостей бетону по одному або в комплекс застосовува-лися багатьма авторами та сприяли збiльшенню довголiття та експлуатацшних якостей бетону [2-5, 12-13, 15-16]. Але необхщш високi фiзико-механiчнi характеристики i довго-вiчнiсть бетону дос актуальнi для важко наван-тажених залiзобетонних виробiв - шдрейкових основ, якi працюють в агресивному середовищi при знакоперемiнних циклiчних навантаженнях та температурах.
Для впровадження нових технологiчних розробок в галузi виробництва бетону шдрейкових основ необхщно ретельно дослщити мо-жливi ризики впливу добавок на корозшну стiйкiсть арматури i бетону, вивчити вплив зна-чного зниження температури робочо! зони про-парювальних установок на структурнi та фiзи-ко-механiчнi характеристики бетону.
Отже, в процес виконання роботи були по-ставленi такi завдання:
- виявлення впливу хiмiчних добавок i змiни масових спiввiдношень сировинних компонента на структуры i фiзико-механiчнi характеристики бетону;
- виявлення впливу значного зниження тем-ператури робочо! зони пропарювальних установок на структуры i фiзико-механiчнi характеристики бетону.
З лiтературних даних з'ясовано, що електролiти на базi сульфатних та роданистих комплексiв з додаванням нiтратiв - складовi сольового комплексу хiмiчно! добавки ПЛКП, що прискорюють твердiння, мають або найбшьш високу розчиннiсть у водi, як у ви-падку нiтратних складових (рис. 1, а), або знач-но обмежеш температурою розчину, як у ви-падку сульфатних складових (рис. 1, б).
а-а
б-b
Рис. 1. Розчиннють в вод1 компоненпв комплексно! добавки ПЛКП, що прискорюють процес тужавшня бетону [15]
Fig. 1. Solubility in water of PLKP complex additives components that accelerate the process of concrete hardening [15]
Якщо однокомпонентш добавки, що мютять штрати, заборонеш чинними ранiше стандартами до застосування у виробництвi попередньонапружених конструкцiй затзо-бетонних основ, то у комплекс з пласти-фiкаторами рiзного роду, як е iнгiбiторами корозi! металу арматури, при значному зменшеннi !х концентрацi! в складi багатокомпонентно! хiмiчно! добавки в бетонному розчинi, !х застосування
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
теоретично та технолопчно виправдано. Розчиннють нитратiв в дiапазонi температур вщ 0 до 100 °С досить велика, що сприяе стабiльностi властивостей будь-яко1 комплексно1 добавки, у склад яко! вони введенi. Та, навпаки, з огляду на залежнють розчинносп сульфатiв у водi залежно вщ температури (див. рис. 1, б), можна зауважити, що оптимальною температурою дп добавки з сульфатами е температура 33-50 °С.
Але цього не можна сказати про добавки, що мiстять хлор. Тому що хлор е каталiзатором процесiв реструктуризацп цементного каменю, та при найменших його концентращях вш сприяе передстроковому руйнуванню бетону, який працюе в умовах змши сезонних температур при шдвищенш вологостi повiтря або щц атмосферними опадами [18], та його застосу-вання заборонено згiцно з ДСТУ Б В.2.6-145:2010 [8]. Хлорвмютне середовище застосовуеться для прискорених методiв оцiнки морозостiйкостi бетонiв [6] та для антибакг^ального захисту бетонних споруд [12].
Одним з найважливших сировинних матерiадiв виробництва шпад е цемент. Вщ вiдповiдностi його характеристик нормам стандарту ДСТУ Б.В 2.7-46:2010 [7] залежать струк-туроутворення тд час взаемоди з комплексною добавкою цементного каменю, фiзико-механiчнi характеристики та довговiчнiсть задiзобетонних виробiв. При шдвищенш лужносп цементу (вiдносний коефщент лужностi (№20 + 0.658 К20) бiльшiй за 0,6 % [7, 8, 18]) в процес пдратаци та пiд час експлуатаци тдрейкових основ вiдбуваеться реакцiя хiмiчноl взаемоди луг цементу з кисли-ми заповнювачами, як за стандартами не повинш мiстити бiльше нiж 50 ммоль/л дюксиду кремнiю розчинного в лугах [8, 9].
За державним стандартом [8] в портландцемент сшввщношення за масою кадьцiй оксиду до силщш дiоксиду повинно становити не ме-нше нiж 2,0, а масова частка магнш оксиду не повинна перевищувати 5 %, вмют шрки у пере-рахунку на 803 не повинен перевищувати 3,5 %, аде бути бшьше шж 1 % (мас.), глин не бшьше 1,2 % (мас.), вмют хлорид--юшв не повинен перевищувати 0,1 % (мас.). Трикальщевий алюмшат у складi цементу не повинен перевищувати 8 % за масою [8].
Якiсть цементу Амвросивського заводу ПЦ 1-500 для виробництва затзобетонних шпад перевiряли за фракцшним, хiмiчним складом та активнютю. За сертифiкатом якостi цемент вщ-повiдае вказаному стандарту. Перевiрка актив-ностi цементу виявила вiдповiднiсть марщ портландцементу М400. Оцiнка фракцiйного складу показала, що об'емний вщсоток часток, що бшьше 80 мкм складае до 6 % (рис. 2), що не перевищуе 15 % визначених стандартом [8]. За результатами мшрорентгеноспектрадьного аналiзу, в переважнш бшьшосп спектрiв вмiст адюмшатно1 фази у перерахунок на окисли А12О3, дорiвнюе 8,96 % (рис. 3-4).
Вмiст адюмшатно1 фази складае 5-10 % для бшьшосп нормадьних цементних клiнкерiв. Фаза представлена трикадьцiевим алюмiнатом Са3А1206, iстотно змiненим за складом, а iнодi i за структурою, за рахунок стороншх iонiв, особливо 814+, Ре3+, Ка+ i К+ [1], аде зпдно з ДСТУ Б В.2.7-46:2010 [7], вмiст д1е1 фази в цементах, якi застосовуються у виробнищга задiзобетонних шпад, не повинен перевищувати 8 %. В нашому випадку кшьюсть вказано1 алюмшатно1 фази складае в середньому 8,96 % (мас.). Алюмшатна фаза швидко реагуе з водою i може викликати небажане швидке схоплю-вання, якщо не доданий контролюючий схоп-лювання агент [11]. Крiм того, ця фаза е швид-корозчинною в лугах i кислотах та за структур-ними характеристиками гiдрооксидiв е структурно нестабшьною. В процеш експлуатацil крупнi кристади етрингiтноl фази, яка мютить адюмiнiй та сiрку, розпадаються на дрiбнi. В процесi перебудови гiдрат-iони перемi-щуються з утворенням ново1 фази з новими параметрами кристалiчноl решiтки та втратою структурних зв'язкiв всерединi бетону. З ура-хуванням наявностi хлор-юшв у бiльшостi дослiджуемих часток цементу (причому у двох з дев'яти конгломератних часток концентращя хлору перевищуе допустимi норми за держав-ним стандартом [8] в 1,9-2,7 разiв), реакци реструктуризацil фазових складових цементного каменю при 20 °С в процеш експлуатацil виробiв проходять з прискоренням шсля наси-чення водою бетону при коливанш температу-ри близько 0 °С. При цьому хлор виступае як каталiзатор реструктуризацiйних процесiв [18]. В процеш тужавiння бетону (прискореного
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
впродовж 8 дiб або подальшого тужавшня) змшюеться водневий показник гелево1 частини мiжкристалiчного розчину, який мютить роз-чинний гiдроокис кальщю, при цьому змiнюеться здатнiсть хлорвмютно1 фази, що реагуе з сульфат-юнами, зберiгати власну стабiльнiсть i призводить до И розкладу. Се-редня кшькють хлору не перевищуе допустимi значення стандарту та складае 0,08 % (мас.).
Вмют магшю в цемент вiдповiдае нормам державного стандарту. Приведена лужнють цементу перевищуе 0,6 % та складае 0,84 %, що не попереджае виникнення лужнокремтевокисло! реакци в процес експлуатаци задiзобетонних виробiв [18]. При аналiзi приведено1 лужностi не використовували результати анадiзу спектру 4 на рис. 4, тому що вони рiзко вщмшш вiд спектрiв шших часток цементу i е аморфною скловидною фазою з великим мютом окислiв кремнiю, адюмiнiю та натрда, яка значно вiдрiзняеться за морфолопчними ознаками вiд iнших часток (наявнютю округлих форм).
Вмiст сiрки лише в одному з конгломератв клшкерних часток перевищуе норматив стандарту на 1 масовий вщсоток, при тому середнш вмiст сiрки за розрахунком на 803 складае 1,9 % (мас.).
Рис. 2. Вигляд цементу Амвросивського заводу, х 100
Fig. 2. View of Amvrosiivskyi cement plant, х 100
Спектр, O Na Mg Al Si S Cl K Ca Ti Fe
1 35,15 0,02 0,24 1,12 10,67 1,06 0,19 0,44 48,67 0,32 2,12
2 47,23 0,28 0,41 0,44 10,75 0,25 0 0,13 39,97 0,03 0,59
3 48,98 0,27 0,18 0,93 1,21 0,92 0,27 0,18 46,06 0 1,07
4 52,22 0,11 0,28 0,76 8,29 1,79 0,01 0,25 35,32 0 0,98
5 40,65 0,34 1,06 10,53 2,52 0,33 0,08 0,4 30,03 0,46 13,59
Рис. 3. Мжроструктура та хiмiчний склад часток цементу ПЦ 1-500, % (мас.).
Fig. 3. The microstructure and chemical composition of cement particles PTS I-500% (wt.).
; - "I - .■•■■ - ■ -и1-.-
Спектр O Na Mg Al Si S Cl K Ca Ti Fe
1 31,18 0,13 1,01 8,77 3,19 0,67 0,09 0,46 37,24 0,52 16,76
2 42,8 0,3 0,2 7,75 6,36 0,5 0 0,18 36,95 0,22 4,79
3 48,67 0,02 0,28 0,79 9,48 1,12 0 0,36 38,07 0,16 1,05
4 49,6 6,84 0,06 11,52 27,43 0,22 0,08 0,11 3,76 0,11 0,28
Рис. 4. Мжроструктура та хiмiчний склад часток цементу ПЦ 1-500, % (мас.).
Fig. 4. The microstructure and chemical composition of cement particles PTS 1-500°% (wt.).
З рис. 3-4 видно, що в одному з дев'яти конгломерата цементних часток кшькють с1рки у перерахунок на SO3 перевищуе норми стандарту [8] на 27,7 %.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
Пщсумовуючи ус вище перераховаш недолши х1м1чного складу цементу, при його пдратаци можна очшувати утворення переваж-но крупних кристатв етринптно! фази, яка легко розчиняеться у кислотах та лугах, кр1м того схильна до реструктуризацшних процешв при знакоперемшних температурах та шдвищенш вологосп, яка мае невелику мщнють i щшьшсть та на порядок меншу довгов1чн1сть в залiзобетонних виробах шдрейкових основ, шж в аналопчних виробах iз звичайного портландцементу. Такий цемент застосовуеться для швидюсного будiвництва збiрних залiзобе-тонних конструкцш, якi застосовуються для внутрiшнього оздоблювання примiщень.
Морфологiя i хiмiчний склад Здолбушвсь-кого цементу наведено на рис. 5 та табл. 1. Оцшка фракцшного складу показала, що об'емний вщсоток часток, що бшьше 80 мкм, практично вщсутнш (рис. 5), що не перевищуе 15 % визначених стандартом [8].
Рис. 5. Мжроструктура цементних часток цементу ПЦ I-500H виробництва ПрАТ «Волинь-Цемент», x500
Fig. 5. Microstructure of cement particles of cement PTS I-500N, production of JSC «Volyn-Cement», x 500
З рис. 5 видно, що частки цементу мають високу дисперснiсть (спостер^аеться лише один конгломерат у полi зору). Цемент мае такий фракцшний склад: фракцiя розмiрами бшя 30 мкм складае 10 %; 15 мкм - 10 %; 7 мкм -30 %, та вщ 0-3 мкм - 50 %. Дрiбний розмiр фракцш цементу збшьшуе його реакцiйну спроможшсть та пришвидшуе процес структу-роутворення в бетонах.
Таблиця 1
Хiмiчний склад посл1довно сканованих мжрообластей запресованого цементу ПЦ 1-500Н виробництва ПрАТ «Волинь-Цемент»
Table 1
Chemical composition of sequentially scanned microareas of pressed cement PTS I-500N and production of PJSC «Volyn-Cement»
Елемент Масовий %
O K 40,97 34,95 41,24 34,76
Na K 0,40 0,44 0,40 0,43
Mg K 0,35 0,44 0,40 0,38
Al K 1,72 1,99 1,81 1,90
Si K 6,63 7,48 6,77 7,31
S K 1,90 2,17 1,96 2,11
K K 0,82 0,86 0,78 0,90
Ca K 44,44 48,44 43,74 49,13
Ti K 0,23 0,29 0,25 0,25
Fe K 2,54 2,94 2,65 2,82
Всього 100,0 100,0 100,0 100,0
Виконаш в робот дослщження показали вщповщшсть цементу бiльшостi показниюв нормованих дiючими стандартами Украши.
Сшввщношення оксидiв кальцiю та кремнiю, наявшсть хлор-iонiв, концентрацiя алюмiнатiв у перерахунку на оксид алюмшда (3,5%(мас)), а також фракцшний склад цементу вщповщають вимогам ддачих стандартiв.
Середнiй коефщент приведено! лужностi цементу ПЦ I-500H становить 1,24 %, що бшьше шж удвiчi перевищуе нормативний показ-ник, визначений ДСТУ Б В.2.6-145:2010 [8]. Вiрогiднiсть виникнення лужно-кремшевокисло! реакцiï в процесi експлуатацiï затзобетонних виробiв з дослiджуемого цементу пiдвищеноï лужностi посилюеться тому, що бшьшють ро-довищ рiчкового пiску, застосованого у будiве-льному виробництвi та виробнищга спецiальних залiзобетонних виробiв в Украш, мають бiльше нiж 50 ммоль/л дюксиду кремнiю розчинного в лугах.
Вмiст оксиду шрки в цементi складае 5,07 % масових, що перевищуе максимальний норма-тивний показник у 1,45 разу. Орка входить
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дшпропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
у склад великих етринптних кристалш, якi на основi щшьно! матрицi рiвноосних цементних кристалiв знижують структурну однорiднiсть та сприяють утворенню додатково! мж-ропористостi, яка полегшуе всмоктування во-логи бетоном з атмосферного повггря.
Дослiдження виконувалися також на цемент ПЦ 1-500Н виробництва ПАТ «Хай-дельбергцемент Укра!на», м. Дншродзер-жинськ. Морфологiю часток та хiмiчний склад цементу наведено на рис. 6-7.
Рис. 6. Морфолопя часток цементу ПЦ 1-500 виробництва ПАТ «Хайдельбергцемент Украша», Днiпродзержинськ, x1750
Fig. 6. Cement PTS I-500N particles morphology in production of PJSC «Heidelbergcement Ukraine», Dniprodzerzhynsk, x 1750
Рис. 7. Хiмiчний склад часток цементу ПЦ 1-500 виробництва ПАТ «Хайдельбергцемент Украша», м.
Дшпродзержинськ, % (мас.)
Fig. 7. The chemical composition of cement particles PTS I-500N, production of PJSC «Heidelbergcement Ukraine», Dniprodzerzhynsk,% (wt.)
Як видно з рис. 6-7, крупш фракцп цементного порошку подаш частками розм1ром близь-ко 25 мкм, об'емна частка яких сягае 10 %, ча-
стки po3MÍpoM близько 10 мкм присутш в порошку в o6'gmí 25 %. Хiмiчний аналiз зразку цементу показав, що приведений коефщент лужносл складае 0,57 %, що задовольняе вимо-гам попередження швидкоплинно!
лужнокремшевокисло! реакцii в бетонi, що експлуатуеться.
Якюний та безстандартний кiлькiсний аналiз цементу виконували за допомогою дифрактометру D2PHASER. Зразки без додатково! обробки помщали в заглублення кювети з оргашчного скла. Рентгенограма знiмалася з обертанням 20 об/хв з кроком 0,02 в iнтервалi кулв 8-650 2 9 з витримкою 1 с. Моделювання рентгенограми виконували за допомогою програми безстандартного кшькюного аналiзу TOPAS.
¡I
Т
JJA
i
л 1X
C3S 23.95%; C3S 31.61%; C2S_beta 16.60%;
C3A_cubic 2.68%; C3A_orthorhombic 1.28%;
C4AF 13.52%; Portlandite 1.34%; Periclase 0.25%;
Quartz 0.21%; Arcanite 0.72%; Aphthitalite1.25%;
Bassanite 2.23 %; Calcite 4.36 %.
Рис. 8. Якюний та кiлькiсний аналiзи цементу ПАТ «Хайдельбергцемент Украша» за допомогою дифрактометру D2PHASER
Fig. 8. Qualitative and quantitative analysis of cement from PJSC «Heidelbergcement Ukraine» with a diffractometer D2PHASER
Як видно з рис. 8, якюний х1м1чний склад цементу е мщними мшералалами C2S beta 16.60%; C3S (23.95% мас.) та C3S (31.61 % мас.), але формування х1мп та морфологи цементного каменю залежить вщ модиф1куючого впливу х1м1чних добавок, як1 змшюють сшввщ-ношення в напрямку збшьшення частки фаз з максимальною мщнютю.
Структуроутворення бездобавочних бетошв на раншх стад1ях тужавшня дослщжували способом дегщратацн зразив бетону зруйнованих на 3, 7, та 28 добу з анал1зом структурних характеристик в комплекс з мехашчними власти-востями. Формування структури цементного каменю зразка бетону без застосування добавок
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
на р1зних етапах тужавшня показало, що тд-вищений вмют алюмшатно! фази в цемент провокуе утворення великих кристатв етринп-ту та зниження мщносп бетону на 28 добу. Морфолопя та х1м1чний склад фаз, що пере-важно утворюються в зразку, говорять про низьку щшьшсть бетону, формування переваж-но водопроникнено! капшярно! пористосп та мшропористост.
Вищесказане у комплекс з шдвищеною приведеною лужшстю цементу призведе в про-цес експлуатацп до передчасно! руйнацп бетону в агресивному середовищ1 1з знакоперемш-ними навантаженнями та температурами нав-колишнього середовища.
Розглянемо структурш та мехашчш характеристики бетошв залежно вщ застосованих комплексних модиф1катор1в на основ1 су-перпластиф1катор1в та електролпу.
Структурш характеристики бездобавочного бетону на початкових стад1ях тужавшня пере-важно е блочними кристалами портландиту з невеликою кшьюстю цементного гелю, яю формуються 1з значною кшьюстю капшярних пор (рис. 9).
бетону в напрямку площин утворених кристал> т1в i, кр1м того, необхщно вщмггити, що пласю гщрокристалгги не мають максимальних характеристик мiцностi.
Рис. 9. Морфолопя цементного каменю бездобавочного бетону на основ1 портландцементу марки ПЦ I 500Н (28 доба тужавшня), х5000
Fig. 9. The morphology of the cement stone without additional concrete based on Portland cement PTS I 500N (the 28th day of hardening), x 5000
Додавання до бетонно! сумш1 добавки на основ! полшафталшсульфонатв значно збшь-шуе в структур! частку пластинчастих криста-л1в. В об'емному сшввщношенш ця частка ся-гае 60-70 %, залишок наполовину формуеться з блочних кристал1в портландиту та цементного гелю (рис. 10). Таке сшввщношення структур-них складових сприяе шдвищенню крихкосп
Рис. 10. Морфолопя цементного каменю бетону на основi портландцементу марки ПЦ1 500Н модифжованого полiнафталiнсульфонатною добавкою (28 доба тужавшня), х10000
Fig. 10. Morphology of cement stone of concrete based on Portland cement PTSI 500N of modified polynaphthalenesulfonate addition (the 28th day of hardening), x 10000
Формування бетонно! сумш! з роз-рщжувачами бетону на основ! солей родашду та тюсульфату натр1ю, пластифшатора на основ! фрагменпв пошар-боксилатних ланцюжюв у сукупносп з пол> нафталшсульфонатом дозволяе отримувати мехашчш характеристики пор!внянш з такими, що утворилися в бетонах модифшованих полшарбоксилатом, але под!бш комплекси не в змоз1 достатньо знизити водоцементне сшввщношення. За рахунок цього структура сформована на основ! вищезгаданого комплексу хоча i складаеться переважно з голко-под1бних цементних кристал1в д1аметрами близько 50-100 нм, але мае у склад! плескат кристали з1 зниженою мщшстю, по площ1 яких можуть утворюватися руйшвш трщини (рис. 11).
Морфолопя структурних складових бетону шдрейкових основ на цемент виробництва ПРАТ «Хайдельбергцемент Укра!на» та полшар-боксилатно! добавки ПЛКП наведена на рис. 12.
Як видно з рис. 12, середнш д1аметр пучюв ниткопод1бних кристал1в цементного каменю, сформованих на першу добу тужавшня в бетош шпал на основ! цементу ПЦ-500 Н виробництва
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
ПАТ «Хайдельберщемент Украша», знахо-диться у межах вщ 15 до 60 нм, причому пере-важна частка кристалiв (до 90 % об'ем) мае дiа-метр 45 нм.
а-а
а—а
б-b
c—c
х 5000
X 30000
х15000
Рис. 11. Морфолопя структурних складових цементного каменю бетону модифшованого комплексом солей роданвду та тюсульфату натрш, пластифжатором на основi фрагменпв полiкарбоксилатних ланцюжкiв у сукупносп з полшафталшсульфонатом на 28 добу тужавшня: а, б - склад добавки i3 збшьшеною часткою суперпластифiкаторiв; в - склад добавки i3 збiльшеною часткою солей
Fig. 11. Morphology of structural components of concrete cement stone modified with rhodonite nitrate and sodium thiocyanate complex, a plasticizer based on fragments of poly-
carboxylate chains together with po-lynaphthalenesulfonates after the 28th day of hardening:
а, b - the composition of additives with increased part of superplasticizers; c - the composition of additives with increased part of nitrate
б—b
Рис. 12. Морфолопя структурних складових цементного каменю бетону модифжованого комплексною добавкою на основi полшарбоксилапв ПЛКП -1 на 1 добу тужавшня: а - формування кристатв цементного каменю
з надлишком води з утворенням кольматованого порового простору, х28400; б -пучки ниткопод1бних кристатв в пе-рер1з1,х143000
Fig. 12. Morphology structural components of concrete cement stone modified with complex additive based on polycarboxylates PLKP -1 for the 1st day of hardening:
a - crystals formation of cement stone with water excess with colmated pore space, x 28400; б -beams of fibrous crystals in section, x 143000
Х1м1чний склад цементного каменю бетону з добавкою ПЛКП-1 на першу добу тужавшня мае задовшьш характеристики за вс1ма показ-никами, а особливо за приведеною лужшстю цементного каменю, яка складае 0,53 % (мас) (рис. 13).
При цьому в цементному камеш вщсутнш хлор, що сприятиме шдвищенню довгов1чност1 цементного каменю шдрейкових основ.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту, 2016, № 2 (62)
.ISP?
а-а
Спектр, % мас. O Na Mg Al Si S Cl K Ca Fe
Спектр 1 48.30 0,0 0,00 0.51 5.45 0.82 0.00 0.94 42.55 1.43
Рис. 13. Хiмiчний склад цементного каменю бетону з добавкою ПЛКП -1 на першу добу тужавшня
Fig. 13. The chemical composition of concrete cement stone with the addition PLKP - after the 1st day of hardening
Щд час формування структури бетону з добавкою ПЛКП-1 на першу добу тужавшня при температурi 20 °С мщшсть на стиснення дорiв-нюе 41,5 МПа (рис.14, а) , а на 28 добу тужавшня утворюсться щшьний бетон з ниткоподiбних нанокристатв, якi формують пучки загальними дiаметрами до 118,44 нм (рис. 14, б). Нанокри-стали та ïx пучки утворюють щшьш сплетенi масиви з гелевою пористютю. Така структура сприяе значному збшьшенню не тiльки характеристик мщносп, морозостiйкостi, водоне-проникненостi, а й краще працюе при деформа-цн на вигiн. Деформацiя на вигш може виника-ти не тшьки пiд час штатних режимiв експлуатацп, а й пiд час шдбивання шпал на магiстральниx колiяx.
Завдяки високш щiльностi бетону, яка до-зволяе отримувати мiцнiсть на стискання на 28 добу 76 МПа, кольматоваш пори концентрують навкруги себе ус елементи з невеликими дiа-метрами iонiв, що протидiе вилугуванню бетону. Пщвищена концентрацiя магшю поблизу невеликих кольматованих пор сприяе збшьшенню локальних характеристик мщносп структурних складових цементного каменю (рис. 15).
б-b
Рис. 14. Морфолопя ^no^is цементного каменю, модnфiкованого добавкою ПЛКП-1 на першу (а, x28900) та 28 (б, x127000) добу тужавшня
Fig. 14. Crystals morphology of cement stone, modified with the addition PLKP-1 after the first (a, x 28900) and the 28th (б, x 127000) days of hardening
Дiаметри ниткоподiбних кристатв, що кольматують пори, дорiвнюють 52,0-63,5 нм (рис. 16).
Особливосп структурних характеристик модифшованого цементного каменю шдтвер-джуються мехашчними характеристиками. Так, наприклад, додавання до контрольного бездобавочного зразка бетону комплексу солей на основi родашду натрда, тiосульфатiв та суль-фанв натрiю сприяе витонченню голкоподiб-них кристатв, що пiдвищують мiцнiсть на стиск у ранш строки тужавшня на першу добу в 1,7 разу, на сьому добу - в 1,2 разу, а на 28 добу практично вщсутня рiзниця мщност контрольного та зразка з добавкою сольового комплексу.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
% мас O Na Mg Al Si S Cl K Ca Fe
Спевар1 52.39 1.66 1.47 2.93 16.61 0.00 0.00 2.48 20.47 2.00
Спевар2 53.01 0.72 1.02 2.10 18.67 0.00 0.00 1.92 19.92 2.66
Сп.3 57.82 1.67 0.00 0.76 3.83 0.00 0.00 0.78 33.76 1.38
Рис. 15. Х1м1чний склад кристал1в цементного каме-
ню поблизу кольматованих пор в зразку бетону, модифжованого добавкою ПЛКП-1 на 28 добу тужавшня
Fig. 15. Chemical composition of crystals in cement stone near colmated pores in the concrete sample, modified with additive PLKP-1 after the 28th day of hardening
Рис. 16. Морфолопя кристалiв цементного каменю поблизу кольматованих пор в зразку бетону, модифжованого добавкою ПЛКП-1 на 28 добу тужавшня
Fig. 16. Crystals morphology of cement stone near col-mated pores in the concrete sample, modified with PLKP-1 additive after the 28th day of hardening.
Додавання в бетонну сумш комплекав супер-пластиф1катор1в та солей в бетонну сумш з вмю-том Амвроспвського цементу 380 кг/м3 бетону дозволило отримати мщнють на 2 добу - 43,7 МПа, 3 добу - 53,7 МПа, на 7 добу - 61,3 МПа та 28 добу - 71,5 МПа.
При застосуванш в бетоннш сумш1 для ви-готовлення шпал Здолбушвського цементу з комплексом гшерпластиф1катор1в виробництва ПП «Лопя», м. Дншропетровськ, дозволяе
отримати на першу добу тужавшня мщнють на стиск 39 МПа, на 7 добу - 64,6 МПа та на 28 добу - 73,3 МПа. При цьому пропарювання за традицшними режимами при 60° С дозволяе отримати мщнють на стиск 56,7 МПа.
Цемент Дншродзержинського виробництва при концентраци 350 кг/м3 бетону в бетоннш сум^ з модифшатором ПЛКП-1 Дшпропет-ровського виробника дозволяе отримати мщ-
_ нють на першу добу тужавшня 41,6 МПа, на третю добу - 61,9 МПа, сьому - 69,1 МПа та 28 добу - 76 МПа. Таю характеристики якост бетону задовольняють вимогам для шдрейкових основ для швидюсного руху. Технолопя виробництва дозволяе економити 150 кг цементу на м3 бетону, економити газ та електричну енер-пю, яю за традицшною технолопею викорис-товувалися у виробництвi шдрейкових основ. Крiм того, завдяки новш технологii виробництва пiдвищуеться структурна однорщнють i ста-бiльнiсть, а також дисперснють цементного каменю, що попереджае структурш перетворення шд час експлуатацii пiдрейкових основ i iх пе-редчасне руйнування.
Наукова новизна та практична значимкть
Дослiдження в цш роботi полягае в аналiзi можливосп застосування цементiв рiзних ви-робниюв для виробництва пiдрейкових основ, аналiзi впливу добавок на основi рiзних складових та обrрунтуваннi необхщносп застосування найбiльш оптимальних в'яжучих та добавок-модифiкаторiв для отримання найбшьш високих фiзико-механiчних характеристик на 28 добу ту-жавiння та попередження структурних перетво-рень в процеа експлуатацii залiзобетонних виро-бiв. Застосування новоi технологii виробництва бетону шдрейкових основ дозволяе економити 150 кг цементу на м3 бетону, економити газ та електричну енерпю, що ниш використовуються для пропарювання залiзобетонних виробiв.
Полягае у вперше отриманих результатах дослiджень про вплив впчизняних гшерплас-тифiкаторiв на структуроутворення та фiзико-механiчнi характеристики бетонiв на основi жорстких сумiшей. Виявлення морфолопчних особливостей цементного каменю на основi цементiв рiзних вiтчизняних виробникiв моди-фiкованого вiтчизняними комплексними добав-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2016, № 2 (62)
ками на основ1 р1зних х1М1чних комплекс1в до-зволяе пояснити !х мехашзм впливу на експлу-атацшт характеристики бетону.
Висновки
Пщсумовуючи отриман результати досл> джень можна зробити висновки:
1. Використання полшарбоксилатно! добавки виробництва ПП «Лопя», м. Дншропет-ровськ, яка не мютить сольового комплексу, дозволяе при нормальних умовах твердшня (20° С) отримувати разопалубочну мщнють шпального бетону на першу добу тужавшня та бшьше 70 МПа на 28 добу твердшня з цементу близько 350 кг/м3 бетону. Добавка не знижуе довговгов1чн1сть шдрейкових основ.
2. Формування наноструктурованого цементного каменю шд час модифшування бетонно! сум1ш1 добавкою ПЛКП сприяе збшьшенню мщносп на вигш, водоне-проникненосн та морозостшкосн бетону шдрейкових основ.
3. Доцшьшсть використання цементу ПЦ I-500Н виробництва ПАТ «Хайдельбергцемент Укра!на», м. Дшпродзержинськ в поеднанн1 з добавкою ПЛКП для виробництва затзобетонних шпал зумовлена И позитивним впливом на довгов1чн1сть бетону за умов дот-римання приведено! лужносн цементу менше шж 0,6 % (мас).
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бутт, Ю. М. Химическая технология вяжущих материалов / Ю. М. Бутт, М. М. Сычев, В. В. Тимашев. - Москва : Высш. шк., 1980. -237 с.
2. Деяш аспекти технолопчних прийом1в виробництва та контролю експлуатацшного ресурсу зал1зобетонних шпал в Укра!ш та свт / В. В. Рибшн, В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць [та ш.] // Зал1зн. трансп. Укра!ни. - 2012. - № 3/4. - С. 76-81.
3. Дослвдження експлуатацшно! стшкосп зал1зобетонних шпал та основш техноло-пчт прийоми !! покращення / В. В. Рибк1н, В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць [та ш.] // Буд-во Укра!ни. - 2011. - № 4. - С. 19-23.
4. Дослвдження можливосп виробництва зал1зобетонних шпал за безпропарюваль-ною технолопею / А. А. Плупн, А. М. Плупн, О. В. Романенко [та ш.] // Удосконалення
конструкци зал1зн. коли та системи ведения колшного господарства : зб. наук. пр. / Укр. держ. акад. зал1зн. трансп. - Харшв, 2008. -Вип. 91. - С. 211-224.
5. Дослвдження ф1зико-х1м1чних властивостей др1бних заповнювач1в для виробництва зал1зобетонних шпал / В. В. Рибкш, В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць [та ш.] // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп 1м. акад. В. Лазаряна. - Дшпропетровськ, 2012. - Вип. 40. - С. 140-145.
6. ДСТУ Б В.2.7-49-96 (ГОСТ 10060.2-95). Буд1вельш матер1али. Бетони. Прискореш ме-тоди визначення морозостшкосп при багатора-зовому заморожуванш та ввдтаванш. - Ки!в : Укрархбудшформ, 1996. - 9 с.
7. ДСТУ Б В.2.7-46:2010. Буд1вельн1 матер1али. Цементи загальнобуд1вельного призначення. Техшчш умови / Держ. ком. з буд-ва, архгг. та житл. полпики Украши. - Ки!в : Вид-во стандартв, 2010. - 20 с.
8. ДСТУ Б В.2.6-145:2010 (ГОСТ 31384:2008, N£0). Захист бетонних i залiзобетонних конструкцiй ввд корозi!. Загальш технiчнi вимоги. - Ки!в : Укрархбудшформ, 2010. - 56 с.
9. ДСТУ Б В.2.7-75-98. Щебшь i гравш щiльнi природнi для будiвельних матерiалiв, виробiв, конструкцiй i робiт. Техиiчнi умови / Держ. ком. з буд-ва, архгт. та житл. политики Укра!ни. - Ки!в : Вид-во стандартiв, 1999. - 14 с.
10. Коваленко, В. В. Досладження причин передчасного руйнування залiзобетоииих шпал на Знам'янсьюй дистанцц колi! ПЧ 10 Одесько! залвнищ / В. В. Коваленко, Ю. Л. Заяць, П. О. Пшшько // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - № 6 (60). - С. 149-163. аог 10.15802^2015/57100.
11. Кузнецова, Т. В. Алюминатные и сульфатные цементы / Т. В. Кузнецова. - Москва : Строй-издат, 1986. - 208 с.
12. Пат. 18368 Укра!на, МПК С 04 В 22/08 (2006.01). Будiвельна сумш / Пшшько О. М., Коваленко С. В., Шейшч Л. О., Заяць Ю. Л., Коваленко В. В., Щербша С. П., Решетняк Т. П. ; за-явник та патентовласник Дшпропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. - № и200603788 ; заявл. 06.04.2006 ; опубл. 15.11.2006, Бюл. №1/2006. -2 с.
13. Пат. 99426 Укра!на, МПК в 01 N № 33/38 (206.01), С 04 В 28/00. Особливошвидко-тверднучий безпропарювальний бетон / Плу-пн А. А., Плупн А. М., Романенко О. В. [та ш.] ; заявник та патентовласник Укр. держ. акад. залiзн. трансп. - № а 2011 14838 ; заявл. 14.12.2011 ; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 15. -20 с.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
14. Пат. 71208 А Украна, МПК 7 С 04 В 28/12. Суперпластиф1кована цементно-водна суспен-з1я СПЦВС для цементаци прських порвд 1 буд1вельних конструкцш / Плупн А. М., Плупн А. М., Калшш О. А. [та ш.] ; заявник та патентовласник Укр. держ. акад. зал1зн. трансп. - № 20031210920 ; заявл. 02.12.2003 ; опубл. 15.11.2004, Бюл. № 11. - 6 с.
15. Полинг, Л. Химия / Л. Полинг, П. Полинг. - Москва : Мир, 1978. - 686 с.
16. Романенко, О. В. Ф1зико-х1м1чш дослщження цементного каменю з добавками су-перпластифшатора та прискорювача твердшня / О. В Романенко // Зб. наук. пр. / Укр. держ. акад. зал1зн. трансп. - Харшв, 2012. - Вип. 130. - С. 40-49.
17. Сорочка довголгття / Мапстраль. - 2013. -13 сч. - С. 7.
18. Штарк, Й. Долговечность бетона / Й. Штарк, В. Бернд. - Киев : Оранта, 2004. - 301 с.
19. Recent durability studies on concrete structure / S. W. Tang, Y. Yao, C. Andrade, Z. J. Li // Cement and Concrete Research. - 2015. - Vol. 78, pt. A. - P. 143-154. doi: 10.1016/j.cemcon-res.2015.05.021.
20. Scrivener, K. L. Advances in understanding hydration of Portland cement / K. L. Scrivener , P. Juilland, P. J. M. Monteiro // Cement and Concrete Research. - 2015. - Vol. 78, pt. A. -P. 38-56. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.025.
В. В. КОВАЛЕНКО1*, Ю. Л. ЗАЯЦ2*, П. А. ПШИНЬКО3*, С. В. КОВАЛЕНКО4
1 Каф. «Безопасность жизнедеятельности», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (050) 489 07 72, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-1196-7730
2*Каф. «Безопасность жизнедеятельности», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 81, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-9213-1790
3*Каф. «Строительное производство и геодезия», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (095) 742 04 34, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4187-5340
4ЧП «Логия», ул. Красная, 19-А, Днепропетровск, Украина, 49000, тел. + 38 (050) 34 00 716, эл. почта [email protected]
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В БЕТОНАХ ПОДРЕЛЬСОВЫХ ОСНОВАНИЙ
Цель. Работа предполагает выявление зависимости структурных и механических свойств бетона от состава применяемых добавок-модификаторов, характера изменений структурных и механических свойств в зависимости от срока твердения бетона контрольных и модифицированных образцов. Методика. Примененные микроструктурные, фрактографические, микрорентгеноспектральные анализы и физико-механические испытания позволили выявить необходимые зависимости. Результаты. Микроструктура цементного камня при равных условиях подбора бетонных смесей зависит от состава применяемых сырьевых материалов и технологии производства. В работе исследуются структурные перестройки во время схватывания бетонов на жестких смесях и влияние составных частей комплексной добавки-модификатора ПЛКП (производства ООО «Логия», г. Днепропетровск) на морфологию, дисперсность и химический состав цементного камня, а также механические характеристики бетона для подрельсовых оснований. Исследование структурных и физико-механических характеристик контрольных образцов и модифицированных бетонов на различных стадиях твердения показали, что применение гиперпластификатора ПЛКП украинского производства способствует формированию наност-руктурированного бетона. Добавление в состав добавки на основе суперпластификаторов ускорителей твердения способствует уменьшению диаметра пучков нитевидных кристаллов, увеличивает структурную однородность, стабильность и повышает комплекс механических характеристик бетона. Применение новых поликарбонат-боксилатных добавок ПЛКП в производстве бетонных смесей для подрельсовых оснований позволяет исключить пропаривание из технологии производства подрельсовых оснований. Отсутствие солевой составляющей в добавке способствует повышению долговечности бетона. Научная новизна. В работе выявлено, что модификация бетона комплексной добавкой ПЛКП способствует формированию наиболее однородной структуры цементного камня, которая состоит из компактных кристаллов, окруженных нитевидными кристаллами, которые плотно переплетены в поровом пространстве. Такая
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
структура способствует максимальной характеристике прочности бетона при сжатии. Причем пропаривание по традиционной технологии способствуют увеличению размеров первичных этрингитных кристаллов, имеющих склонность к реструктуризации в процессе эксплуатации железобетонных изделий при температурах около 20° С. Практическая значимость. Регулирования технологических параметров производства подрельсовых оснований, а именно - снижение температуры пропаривания или изъятия этой операции с технологического цикла изготовления железобетонных шпал, при использовании добавки ПЛКП позволяет повысить структурную однородность и стабильность, увеличить плотность бетона и в результате положительно влиять на его долговечность.
Ключевые слова: бетон; микроструктура цементного камня; нитевидные кристаллы; сроки схватывания; пропаривание; пластификатор бетонной смеси; ускоритель схватывания; подрельсовые основания
V. V. KOVALENKO1*, YU. L. ZAYATS2*, P. O. PSHINKO3*, S. V. KOVALENKO4
1 Dep. «Life Safety», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 489 07 72, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-1196-7730
2*Dep. «Life Safety», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 81, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-9213-1790 3*Dep.»Construction Manufacture and Geodesy», Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. + 38 (095) 742 04 34, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4187-5340
4PE «Lohiia», Chervona St., 19-A, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49000, tel. + 38 (050) 34 00 716, e-mail [email protected]
STRUCTURE FORMATION IN FOUNDATION SLAB CONCRETE
Purpose. The work involves identifying the dependence of structural and mechanical properties of the concrete on the composition of used modifier additives, the nature of changes of structural and mechanical properties depending on the period of concrete hardening of test and modified samples. Methodology. The applied microstructural, fractographic, microprobe analyses and physico-mechanical tests revealed the required dependencies. Findings. The microstructure of the cement stone under equal conditions of concrete mix selection depends on the composition of used raw materials and production technology. This paper investigates the structural changes in the setting time of hard mixture concrete and effect of component parts of the complex modifier additive PLKP (produced by «Logia», Dnepropetrovsk) on morphology, dispersion and chemical composition of the cement stone, as well as the mechanical characteristics of concrete for the foundation slab. The study of the structural and physical-mechanical characteristics of the test samples and modified concrete at various hardening stages showed that the use Ukrainian hyper-plasticizer PLKP contributes to the formation of nano-structured concrete. The addition of hardening accelerators to the super-plasticizer additive reduces the diameter of crystal whiskers, increases the structural homogeneity and stability and improves the complex of the concrete mechanical characteristics. Application of new PLKP polycarboxy-late additives in the production of concrete mixtures for the foundation slab allows eliminating the steaming from the foundation slab production technology. The absence of salt component in the additive improves the concrete durability. Originality. The paper showed that modification of the concrete with complex additive PLKP facilitates the formation of the most homogeneous structure of cement stone, which consists of compact crystals surrounded by fibrous crystals that are tightly intertwined in the pore space. This structure contributes to the maximum characteristics of the concrete compressive strength. Herewith the steaming by traditional technology helps to increase the size of the primary ettringite crystals having a tendency to restructure during the operation of concrete products at temperatures of around 200°C. Practical value. Adjustment of foundation slab production parameters, namely - steaming temperature reduction or elimination of this operation from the concrete sleeper production cycle, using PLKP additives, can improve the structural homogeneity and stability, increase the density of the concrete and result in positive effect on its durability.
Keywords: concrete; cement stone microstructure; fibrous crystals; setting time; steaming; concrete plasticizer; setting accelerator; foundation slab
REFERENCES
1. Butt Yu.M., Sychev M.M., Timashev V.V. Khimicheskaya tekhnologiya vyazhushchikh materialov [Chemical technology of cementing agent]. Moscow, Vyssaya shkola Publ., 1980. 237 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
2. Rybkin V.V., Kovalenko V.V., Zaiats Yu.L., Pshinko P.O., Kovalenko S.V., Yakovliev V.O. Deiaki aspekty tekhnolohichnykh pryiomiv vyrobnytstva ta kontroliu ekspluatatsiinoho resursu zalizobetonnykh shpal v Ukraini ta sviti [Some aspects of technological methods of production and control for operational lifetime of concrete sleepers in Ukraine and abroad]. Zaliznychnyi transport Ukrainy - Railway Transport of Ukraine, 2012, no. 3/4, pp. 76-81.
3. Rybkin V.V., Kovalenko V.V., Zaiats Yu.L., Pshinko P.O., Kovalenko S.V., Yakovliev V.O. Doslidzhennia ekspluatatsiinoi stiikosti zalizobetonnykh shpal ta osnovni tekhnolohichni pryiomy yii pokrashchennia [Research the operational stability of the concrete sleepers and main constructions techniques of its improvement]. Budivnytstvovo Ukrainy - Construction of Ukraine, 2011, no. 4, pp. 19-23.
4. Pluhin A.A., Pluhin A.M., Romanenko O.V., Yakovliev V.O., Borziak O.S., Pluhin O.A., Dudin O.A. Doslidzhennia mozhlyvosti vyrobnytstva zalizobetonnykh shpal za bezpropariuvalnoiu tekhnolohiieiu [Study the possibility for production of concrete sleepers with non-steam technology]. Zbirnyk naukovykh prats «Udoskonalennia konstruktsii zaliznychnoi kolii ta systemy vedennia koliinoho hospodarstva» [Proc. «Improvement of the railway track construction and track facility policy»]. Kharkiv, 2008, issue 91, pp. 211224.
5. Rybkin V.V., Kovalenko V.V., Zayats Yu.L., Pshinko P.O., Lisniak V.P., Yaryshkina L.O., Vasylieva S.V. Doslidzhennia fizyko-khimichnykh vlastyvostei dribnykh zapovniuvachiv dlia vyrobnytstva zalizobetonnykh shpal [Research of physical and chemical properties of small fillers for production of ferro-concrete sleepers]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 40, pp. 140-145.
6. DSTU B V.2.7-49-96 (HOST 10060.2-95). Budivelni materialy. Betony. Pryskoreni metody vyznachennia morozostiikosti pry bahatorazovomu zamorozhuvanni ta vidtavanni [State Standart of Ukraine B V.2.7-49-96 (State Standard 10060.2-95). Building materials. Concrete. Accelerated methods for determination frost resistance after repeated freezing and thawing]. Kyiv, Ukrarkhbudinform Publ., 1996. 9 p.
7. DSTUB V.2.7-46:2010. Budivelni materialy. Tsementy zahalnobudivelnoho pryznachennia. Tekhnichni umovy [State Standard of Ukraine B V.2.7-46:2010. Building materials. Cements for general purposes. Specifications]. Kyiv, Vydavnytstvo standartiv Publ., 2010. 20 p.
8. DSTU B V.2.6-145:2010 (HOST 31384:2008, NEQ). Zakhyst betonnykh i zalizobetonnykh konstruktsii vid korozii. Zahalni tekhnichni vymohy [State Standard of Ukraine B V.2.6-145:2010 (State Standart 31384:2008, NEQ). Protection of concrete and reinforced concrete structures from corrosion. General specifications]. Kyiv, Ukrarkhbudinform Publ., 2010. 56 p.
9. DSTU B V.2.7-75-98. Shchebin i hravii shchilni pryrodni dlia budivelnykh materialiv, vyrobiv, konstruktsii i robit. Tekhnichni umovy [State Standard of Ukraine B V.2.7-75-98. Crushed stone and gravel for dense natural building materials, products, structures and operations. Specifications]. Kyiv, Vydavnytstvo standartiv, 1999. 14 p.
10. Kovalenko V.V., Zaiats Yu.L., Pshinko P.O. Doslidzhennia prychyn peredchasnoho ruinuvannia zalizobeton-nykh shpal na Znamianskii dystantsii kolii PCh 10 Odeskoi zaliznytsi [The causes study of the premature destruction of the concrete slippers on the Znamenka track of the IS 10 of the Odessa railway]. Nauka ta prohres transportu - Science and Transport Progress, 2015, no. 6 (60), pp. 149-163. doi: 10.15802/stp2015/57100.
11. Kuznetsova T.V. Alyuminatnyye i sulfatnyye tsementy [Aluminate and sulphate cements]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986. 208 p.
12. Pshinko O.M., Kovalenko S.V., Sheinich L.O., Zaiats Yu.L., Kovalenko V.V., Shcherbina S.P., Reshetniak T.P. Budivelna sumish [Structural mixes]. Patent Ukraine, no. u200603788, 2006.
13. Pluhin A.A., Pluhin A.M., Romanenko O.V. Osoblyvoshvydkotverdnuchyi bezpropariuvalnyi beton [Especially rapidly solidified concrete without the steam curing]. Patent Ukraine, no. 33/38 (206.01), C 04 B 28/00, 2012.
14. Pluhin A.M., Pluhin A.M., Kalinin O.A. Superplastyfikovana tsementno-vodna suspenziia SPTsVS dlia tse-mentatsii hirskykh porid i budivelnykh konstruktsii [Superplasticizer cement-water slurry SPTSVS for cementation of rocks and building structures]. Patent Ukraine, no. 20031210920, 2004.
15. Poling L., Poling P. Khimiya [Chemistry]. Moscow, Mir Publ., 1978. 686 p.
16. Romanenko O.V. Fizyko-khimichni doslidzhennia tsementnoho kameniu z dobavkamy superplastyfikatora ta pryskoriuvacha tverdinnia [Physics and chemical studies of a cement stone with superplasticizer's additives and hardening accelerator]. Zbitnyk naukovykh prats [Proceedings]. Kharkiv, 2012, issue 130, pp. 40-49.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 2 (62)
17. Sorochka dovholittia [Longevity Shirt]. Mahistral - Highway, 2013, 13 March, 7 p.
18. Shtark Y., Bernd V. Dolgovechnost betona [Durability of Concrete]. Kiev, Oranta Publ., 2004. 301 p.
19. Tang S.W., Yao Y., Andrade C., Li Z.J. Recent durability studies on concrete structure. Cement and Concrete Research, 2015, vol. 78, part A, pp. 143-154. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.021.
20. Scrivener K.L., Juilland P., Monteiro P.J.M. Advances in understanding hydration of Portland cement. Cement and Concrete Research, 2015, vol. 78, part A, pp. 38-56. doi: 10.1016/j.cemconres.2015.05.025.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н.,проф. М. I. Нетесою (Украта); д.т.н., проф. Н. В. Савицьким (Украта)
Надшла до редколеги: 04.01.2016 Прийнята до друку: 17.04.2016
