Самоуплотняющиеся фибробетоны на композиционных вяжущих для защитных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат наук Мочалов Александр Викторович

• Мочалов Александр Викторович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мочалов Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Защитные сооружения гражданской обороны и воздействия на них

1.2. Композиционные вяжущие нового поколения

1.3. Самоуплотняющиеся бетоны

1.4. Динамическая прочность бетонов

1.5. Выводы

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1 Характеристика использованных материалов

2.2. Методика исследований

2.2.1 Математическое планирование экспериментов

2.2.2. Изучение строения и состава материалов

2.2.3. Определение реологических характеристик цементных растворов и самоуплотняющихся бетонных смесей

2.2.4. Исследование физико-механических свойств образцов

2.3. Выводы

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУШЕГО

3.1. Особенности состава и технологии изготовления КВ

3.2. Физико-механические свойства цементного камня в зависимости от состава композиционного вяжущего

3.3. Повышение эффективности КВ для защитных бетонов

3.4. Влияние состава и структуры композита на его характеристики

3.5. Выводы

4. ВЛИЯНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ ФИБРОБЕТОНОВ

4.1.Особенности проектирования состава

4.2. Исследование реологии бетонных смесей в зависимости от состава

4.3. Исследование динамической прочности фибробетона

4.4. Поровая структура и проницаемость защитного фибробетона

4.5. Достоверность и воспроизводимость полученных результатов

4.6. Выводы

5. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Разработка нормативной документации на производство композиционного

вяжущего и фибробетона на его основе

5.2 Внедрение технологической линии производства фибробетонов

5.3. Внедрение при строительстве защитных сооружений

5.4. Технико-экономическое обоснование эффективности производства фибробетона на основе КВ

5.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Литература

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Самоуплотняющиеся фибробетоны на композиционных вяжущих для защитных сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность: Эффективные бетоны для защитных сооружений, в связи с участившимися природными и техногенными катастрофами, а также повышенной международной напряженностью, в настоящее время приобретают особую значимость. Для этих бетонов необходим особый набор характеристик - статическая прочность на сжатие и растяжение, ударная вязкость, динамическая прочность, трещиностойкость, непроницаемость, удобоукладываемость. Проектирование материалов, которые смогут обеспечить комплекс этих характеристик на заданном уровне, возможно лишь при использовании новейших достижений строительного материаловедения и управления процессами структурообразования за счет применения многокомпонентных систем.

При этом, забота о жизни и здоровье человека с позиций системы «человек-материал-среда обитания», должна учитываться еще на этапе производства материалов. Снижение расхода клинкерного сырья и энергоемкости изготовления материалов, а также утилизация промышленных отходов являются важнейшими шагами на этом пути.

Таким образом, представляется целесообразной разработка самоуплотняющихся фибробетонов с учетом повышения их эффективности за счет применения перспективных композиционных вяжущих с использованием местного сырья и отходов производства.

Диссертация выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», а также при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания в сфере научной деятельности № 10.3706.2017/4.6.

Степень разработанности темы. Вопросами разработки различных защитных бетонов (радиационно-защитных, жаростойких, ударопрочных, непроницаемых, биозащитных и т.д.) занимались Ю.М. Баженов, В.Т. Ерофеев, Е.В. Королев, Д.Н. Коротких, В.С. Лесовик, Ю.В. Пухаренко, С.В. Федосов, Т.А. Хежев, В.Г. Хозин, Е.М. Чернышов, J.D. Riera, D. Bui, B. Alsubari, G.

Rodríguez de Sensale и др. В ранее выполненных исследованиях были разработаны теоретические основы создания композиционных вяжущих (КВ) с использованием в качестве активных кремнеземсодержащих компонентов различных пуццолановых добавок, а также бетонов на основе КВ, природных и техногенных заполнителей и дисперсной арматуры. Однако, вопрос применения новых видов ультрамелких минеральных добавок, а также принципы их совместимости для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик КВ изучены недостаточно; необходима разработка композитов нового поколения, которым характерен особый набор требуемых высоких показателей физико-механических свойств: статической и динамической прочности на сжатие, прочности на растяжение, модуля упругости, паро- и газонепроницаемости.

Цель работы: разработка эффективных самоуплотняющихся дисперсно-армированных бетонов на полиминеральных композиционных вяжущих для защитных сооружений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

- изучение вещественного состава, строения и качественных характеристик исходных материалов;

- обоснование возможности использования полиминерального модификатора как компонента вяжущих систем, а также выбор технологии его получения;

- разработка вяжущих составов на основе портландцемента и полиминеральной добавки; подбор оптимального состава и параметров изготовления КВ с учетом обеспечения требуемых физико-механических и реологических характеристик самоуплотняющегося фибробетона;

- выявление механизма структурообразования фибробетонов на полиминеральном композиционном вяжущем;

- экспериментальное определение реологических свойств самоуплотняющихся бетонных смесей, статических и динамических прочностных характеристик, паро- и диффузионной проницаемости фибробетонов;

- разработка технологических схем производства активной кремнеземсодержащей добавки, композиционного вяжущего и самоуплотняющегося фибробетона на его основе;

- подготовка нормативно-технической документации, апробация результатов диссертации в промышленное производство и учебный процесс.

Научная новизна. Разработан способ управления синтезом самоуплотняющихся дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов для защитных сооружений, заключающийся в регулировании процессов структурообразования путем применения минерального модификатора, измельченного совместно с портландцементом в варио-планетарной мельнице. Состав и тонкость помола композита интенсифицируют процесс гидратации системы, что приводит к синтезу полиминеральной гетеродисперсной матрицы, которая имеет высокую адгезию к специально подобранным мелкозернистому заполнителю и фибре. Все это и предопределяет рост ударной вязкости - до 6 раз, трещиностойкости - до 9 раз, предела динамической прочности - до 2 раз.

Выявлены особенности влияния системы «Портландцемент -полиминеральный модификатор - суперпластификатор» на реологию бетонной смеси, что позволяет значительно уменьшить напряжение сдвига, и улучшить формуемость. Частицы полиминерального модификатора, покрытые адсорбционными слоями воды, заполняют промежутки между частицами цемента, создавая вязко-пластичную среду с увеличенной вязкостью и пластической прочностью в сравнении с системой «цемент - вода».

Выявлены особенности влияния состава бетонной смеси на микроструктуру композита. Наличие в системе наряду с цементом аморфной и кристаллической фазы кремнезема, модификатора, известняка и тонкомолотого кварца способствуют синтезу матрицы с высокоплотной структурой и низкой пористостью. Развитая поверхность и наличие ультрамелких частиц предопределяют рост числа контактов и механическое сцепление между частицами при уплотнении. За счет этого резко возрастает конечная ударная энергия разрушения, снижается коэффициент паропроницаемости и

газопроницаемости. Эффективный коэффициент диффузии О = 0,03 х 10_4

см /с, позволяет обеспечить защитные функции сооружений от проникновения газов, по характеристике газопроницаемости классифицируется как бетон особо низкой проницаемости.

Практическая значимость работы. Выявлен оптимальный состав полиминерального композиционного вяжущего с применением активной кремнеземсодержащей добавки и отсева камнедробления, способствующий повышению предела прочности при статическом сжатии фибробетона на 60%, ударной вязкости - до 6 раз, трещиностойкости - до 9 раз, предела динамической прочности - до 2 раз.

Установлены оптимальные параметры изготовления КВ в варио-планетарной мельнице, сочетающие высокие ударные усилия, трение и центробежную силу, способствующие, при минимальных затратах, достижению максимальных показателей активности при совместном измельчении состава до удельной поверхности 550 м /кг.

Предложена эмпирическая формула для описания зависимости коэффициента динамического упрочнения от скорости деформации фибробетонов.

Предложена технология производства активной кремнеземсодержащей добавки (АКД), композиционных вяжущих и самоуплотняющихся фибробетонов с возможностью применения ее на заводах сухих строительных смесей и бетонных заводах с минимальным переоборудованием производственных мощностей.

Методологическая основа диссертации базируется на применении фундаментальных основ строительного материаловедения с учетом положений системного подхода к формированию композитов заданного качества на нано-, микро- и макроуровнях, опираясь на положения геоники (геомиметики), что позволяет контролировать достижение достоверных научных результатов. Физико-механические свойства сырьевых материалов, а также эксплуатационные характеристики разработанных композитов эмпирически исследовались современными базовыми методами, а именно, комплексом физико-химических методов анализа, с использованием метода лазерной

гранулометрии частиц, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии и др. Эмпирические исследования велись на лабораторных образцах, которые изготавливались в ряде научных лабораторий Дальневосточного федерального университета. РФА и ДТА сырьевых материалов и синтезированных композитов производился в Институте химии ДВО РАН.

Достоверность результатов диссертации достигалась системностью исследований с использованием, как стандартизированных методов измерений, так и сертифицированного высокоточного оборудования. Погрешность всех экспериментов не более 5%. Результаты исследований хорошо коррелируют с работами ведущих мировых авторов. Разработанная технология получения активной кремнеземсодержащей добавки, композиционного вяжущего и фибробетона апробирована на промышленном оборудовании.

Внедрение результатов. Результаты апробированы на испытательном полигоне Морской инженерной службы Тихоокеанского флота (МИС ТОФ), а также на промышленных мощностях ООО «Факир».

С целью внедрения научно-теоретических и эмпирических результатов диссертации были составлены нижеперечисленные нормативно-технические документы: стандарт организации СТО 02033955-057-2018 «Композиционное вяжущее»; технологический регламент на производство фибробетона для защитных сооружений.

Новые научные данные, которые автор получил в ходе работы над диссертацией, внедрены в учебный процесс при подготовке студентов по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» (военно-учетная специальность «Применение подразделений по фортификационному оборудованию, маскировке, строительству и эксплуатации сооружений и объектов военной инфраструктуры»), что отражено в учебных материалах дисциплин «Строительство и эксплуатация сооружений и объектов военной инфраструктуры» и «Основы фортификации и маскировки», а также при выполнении курсовых, научно-исследовательских и дипломных работ в ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет».

Апробация результатов работы. Положения диссертации всесторонне

обсуждены на: Международном военном научно-техническом форуме «Армия-2019» (Московская обл.); Bocточном экономической форуме (Владивосток, 2019); 54-й Всероссийской научной конференции «Военно-специальные вопросы» (Владивосток, 2011); Уральской минералогической школе (Екатеринбург, 2015); Международной научно-практической конференции «Строительство и архитектура - 2015» (Ростов-на-Дону, 2015); Международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 2015); VII Международной научно -практической конференции (Юрга, 2016); IV Всероссийской молодежной научной школы-конференции (Томск, 2016); VII Всероссийской школе молодых ученых «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия» (Черноголовка, 2016); I, II и III Всероссийских конференциях «Военно-инженерное дело на Дальнем Востоке России» (Владивосток, 2017-2019).

Публикации. Результаты диссертации представлены в 26 работах, в том числе в 11 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 9 статьях из научных баз Scopus и Web of Science (Q1-Q3), отражены в 1 монографии, получен 1 патент РФ и 1 ноу-хау. C учетом полученных в ходе выполнения диссертационного исследования результатов подготовлены 2 учебных пособия, победивших в номинации «Военное инженерно-техническое образование» Дальневосточного регионального учебно-методического центра в 2018 г.

Личный вклад автора. Соискатель разработал теоретические положения диссертации, участвовал в проектировании и получении активной кремнеземсодержащей добавки, композиционного вяжущего и эффективных фибробетонов; в проведении и интерпретации результатов экспериментальных исследований; в подготовке научных публикаций. Диссертант принял участие в изготовлении опытно-промышленной партии АКД, КВ, дисперсно-армированных бетонов на их основе и внедрении научных результатов исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- принципы повышения эффективности самоуплотняющихся

фибробетонов;

- особенности процессов структурообразования при твердении многокомпонентных тонкодисперсных композиций;

- рациональные составы композиционных материалов, а также результаты исследования реологических характеристик смесей, физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик фибробетонов;

- технологические приемы изготовления высокопрочных малопроницаемых фибробетонов на основе КВ;

- эмпирическая формула для описания зависимости КДУ от скорости деформации фибробетонов;

- нормативно-техническая документация для внедрения полученных результатов в массовое производство.

Соответствие паспорту специальности:

пункт 5: разработка методов повышения стойкости строительных изделий и конструкций в суровых условиях эксплуатации.

пункт 6: создание теоретических основ получения строительных композитов гидратационного твердения и композиционных вяжущих веществ и бетонов.

пункт 7: разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности.

Объем и структура работы. Диссертация структурно состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографического списка. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста, включая 39 таблиц, 81 рисунок, библиографический список из 206 наименований и 9 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность за огромную помощь и ценные консультации чл.-корр. РААСН, д.т.н., проф. В.С. Лесовику, а также к.т.н. А.В. Таскину, оказавшему помощь в выборе минерального сырья для исследования.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В современном мире, насыщенном природными и техногенными

опасностями, защита человеческой жизни должна обеспечиваться оптимизацией системы взаимодействия человека, материала и среды обитания за счет постоянного совершенствования конструкционных материалов для защитных сооружений.

Ввиду того, что многотоннажное производство цемента также значительно ухудшает экологическую среду обитания человека, следует минимизировать его применение. Таким образом, повышение эффективности бетонов необходимо осуществлять за счет применения композиционного вяжущего, утилизирующего в своем составе отходы производства.

1.1. Защитные сооружения гражданской обороны и воздействия на них

В связи с глобальным ухудшением экологической обстановки, природные

катастрофы в последние десятилетия приносят колоссальный ущерб. Например, Дальний Восток в летнее время подвержен воздействию тропических ливней -тайфунов, приходящих с юга. Ежегодно затапливаются сотни домов, разрушаются дамбы, заливаются поля и т.д. В частности, в 2016 г. тайфун «Лайонрок» (рис. 1.1, а) принес ущерб Приморскому краю на 7 млрд. руб. В ходе ликвидации последствий стихии погиб начальник управления МЧС по Приморскому краю.

а б

Рисунок 1.1 - Природные и техногенные катастрофы: а - тайфун «Лайонрок» в Приморском крае, б - обрушение подъезда жилого дома в г. Магнитогорске

В декабре 2018 года произошло обрушение подъезда десятиэтажного жилого дома в г. Магнитогорске, погибли более 30 человек (рис. 1.1 б).

Защита населения в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера заключается в укрытии его в специальных сооружениях. Убежища в системе защитных сооружений (рис. 1.2) играют главенствующую роль, т.к. обеспечивают наиболее полную и надежную защиту укрываемых, в т.ч. радиационную, химическую и биологическую [1].

Рисунок 1.2 - Классификация защитных сооружений [1, 2, 5-10] Воздействия на защитные сооружения систематизированы на рис. 1.3.

Природные воздействия

'Землетрясения Ураган

Экстремальные

Снег Лел

Лесные жары

Ударные Радпащ1Я Токсичные Микрооргантмы Звук

воздействия

газы

газы

Техногенные воздействия

Рисунок 1.3 - Воздействия на защитные сооружения

Экстремальные природные и техногенные воздействия на сооружения рассматривали А.Н. Бирбраер и А.Ю. Роледер [2], J.D. Riera [3-4].

Довольно подробно исследована радиационная защита различных сооружений [5-11]. Разработан целый ряд бетонов на различных тяжелых заполнителях (серпентинитовых, магнетитовых, гематитовых и др.) [12-17].

Защита сооружений от воздействия высоких температур и огня исследована Т.В. Загоруйко [18-20], Т.А. Хежевым [21], А. Рикошинским [22], В. Страховым [23], D. Bui [24], B. Alsubari [25] и др.

Повышением прочности и непроницаемости конструкционных сооружений занимались G. Rodríguez de Sensale [26], А.Д. Ловцов [27], Д.Н. Коротких [28], Р.С. Федюк [29], а также научная школа геоники (геомиметики) В.С. Лесовика [30-33]. Доказано, что создание высокоплотных и высокопрочных композитов возможно только за счет синергетического воздействия органических и минеральных добавок, а также за счет управления структурообразованием на нано-, микро- и макроуровнях.

Защите от биологического воздействия посвящены работы В.Т. Ерофеева и его коллег [34-38], С.В. Хуторского [39] и др.

Сейсмостойкость зданий и сооружений рассматривалась В.А. Котляревским [1, 40], Г.И. Татьковым, А.Д. Базаровым [39], B. Graybeal [42], A. Simon [43].

В то же время, исследование защитных сооружений на комплекс поражающих воздействий современных средств вооруженной борьбы (табл. 1.1.) не производилось.

Согласно действующим нормативным и руководящим документам [4445] конструкционные элементы защитных объектов необходимо проектировать таким образом, чтобы те могли воспринимать комплекс нагрузок, состоящий из постоянных, временных и длительных нагрузок, а также статической нагрузки, условно приравненной к действию динамической нагрузки от воздействия ударной волны. Расчет на этот комплекс нагрузок производится по несущей способности, т.е. по первой группе предельных состояний (СНиП 2.03.01-84) . При этом используются два расчетных предельных состояния железобетонных конструкций: 1а и 1б. Для изготовления конструкций защитных сооружений проектным является тяжелый бетон для класса В15 и выше, а для ригелей и колонн - не ниже В25.

Однако, очевидно, что данные нормы устарели. Это связано, как с тем, что постоянно разрабатываются и модернизируются средства поражения, так и с тем, что совершенствуются методики моделирования и расчета комплексного действия поражающих факторов.

Таким образом, основные характеристики, необходимые для материалов ограждающих конструкций защитных сооружений - это прочность на сжатие, ударная вязкость, непроницаемость. Очевидно, что для обеспечения защитных свойств укрытий от современных средств поражения, необходима разработка принципиально новых композитов.

Таблица 1.1 - Современные средства поражений и защитные параметры материалов сооружений, требующие оптимизации

Средства поражения (боеприпасы) Назначение, поражающие факторы Защитные параметры материалов сооружений, требующие оптимизации

Оружие массового поражения Ядерное Воздушная ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, электромагнитное излучение, сейсмовзрывные волны в грунте Прочность на сжатие, защита от радиации

Химическое Отравляющие вещества Газопроницаемость

Биологическое Болезнетворные бактерии Биопроницаемость

Высокоточное оружие Разведывательно-ударные комплексы Для поражения прочных, хорошо защищенных и малоразмерных целей Ударная вязкость

Управляемые авиационные бомбы Для поражения малоразмерных целей бронебойными, бетонобойными, кассетными и др. боеприпасами Ударная вязкость

Обычные боеприпасы Объемного взрыва (вакуумные) Поражение воздушной ударной волной и огнем Прочность на сжатие, огнестойкость

Зажигательные Создают очаги пожаров и поражают непосредственно огнем и высокой температурой Огнестойкость, жаропрочность

Бетонобойные Для разрушения объектов, имеющих прочную бетонную (ж/б) защиту. Углубляются в бетон, пробивая твердым корпусом, затем взрываются Ударная прочность, прочность на сжатие

Кумулятивные Прожигает броню мощной струей сфокусированных продуктов детонации высокой плотности с температурой 6000-7000°С Применение высокопрочного бетона вместо брони

Фугасные Основные поражающие факторы -продукты взрыва разрывного заряда и воздушная ударная волна Прочность на сжатие

Осколочные Предназначены для поражения людей, для защитных сооружений не опасны -

Основанное на новых физических принципах Лучевое (лазерное, ускорительное инфразвуковое, радиочастотное, микроволновое) Основано на использовании остронаправленных лучей электромагнитной энергии или концентрированного пучка элементарных частиц, разогнанных до больших скоростей. Плотность, прочность на сжатие

Геофизическое (метеорологическое) Комплексное воздействие на процессы в литосфере, атмосфере и гидросфере Земли -

Экологическое Направлено на нарушение естественных условий жизнедеятельности -

Генетическое Новые формы бактерий, которые выделяют вещества, меняющие структуру генов -

1.2. Композиционные вяжущие нового поколения

Известно, что вклад цементной промышленности в глобальную эмиссию

парниковых газов, особенно С02, составляет 7-10% и с признанием факта, что это третья наиболее энергоемкая отрасль [24-25]; это вызывает серьезную экологическую озабоченность в индустриальной окружающей среде. В частности, при производстве 1 т клинкера, в атмосферу выбрасывается 0,97 т углекислого газа [25]. Замена части цемента различными добавками позволяет снизить выброс парниковых газов в атмосферу.

Композиционные вяжущие представляют собой смесь гидравлического вяжущего, кремнеземсодержащего компонента и различных модификаторов, способствующих оптимизации заданных характеристик конечных изделий. К текущему времени разработан и испытан довольно значительный ряд различных композиционных вяжущих, уникальных, как с позиции защиты окружающей среды, так и выгодных по капитальным вложениям, а также изготовленных и апробированных в промышленных масштабах. В то же время, зная все достоинства таких составов, в силу действия различных факторов, эти композиты не имеют заслуженного объема производственных мощностей на цементных и бетонных заводах и рынках сбыта [46].

По своему замыслу, методика изготовления КВ достаточно изучена. Ранее с помощью домола цементов вместе с кремнеземсодержащей добавкой синтезированы тонкомолотые многокомпонентные цементные системы (ТМЦ) [47-49]. Следующим этапом явилось изготовление вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) [46, 50, 51], в которых к продуктам переработки клинкера и активным добавкам, вводится пластифицирующий химический модификатор [46]. Авторы [55] доказали, что в отличие от стандартного портландцементного камня, структурные свойства композита на ВНВ имеют значительные отличия, которые заключены в определенном снижении общей пористости за счет минимизации воздушных и крупных капиллярных макропор. Уникальность характеристик ВНВ можно объяснить механическим проникновением сверхмалых частичек пластифицирующей добавки в деформационные щели цементных частиц [56-57].

Опираясь на анализ данных А.В. Волженского [58-60] и других ученых В.В. Бабков, П.Г. Комохов и А.Ф. Полак сделали вывод о том, что скорый рост прочности систем с низким водоцементным отношением или систем на основе тонкомолотых вяжущих вызван ускоренным ростом в пространстве гидратных новообразований [61-62]. С другой стороны, в развитых зарубежных странах расчетный срок эксплуатации бетонов, обеспечивающих прочность на сжатие не менее 80 МПа при строительстве ответственных зданий и сооружений, составляет 1 00 лет, что достигается низким водоцементным отношением (за счет применения суперпластификаторов) [63].

Очевидно, что использование вяжущих низкой водопотребности способствует однозначному повышению эффективности бетонов и ведет к: значительному уменьшению В/Ц смесей в сравнении с вяжущим из чистого портландцемента (на 14-26%); устранению термической обработки бетона из операций или существенному снижению ее продолжительности; ощутимому (на 40-65% и выше) снижению расхода цемента; однозначному росту качества бетона и изделий из него [64-65].

В [66] исследовался «эффект микронаполнителя», сущность которого заключается в том, что частицы тонкомолотых минеральных добавок обычно обладают более тонким гранулометрическим составом, чем цемент, так и с химической активностью добавок.

Кроме того, В. Власов [67] считает, что для структурообразования цементного камня характерна оптимальная степень насыщения наполнителем, и рост количества добавки выше этого уровня приводит к нарушению контактов между гранулами клинкера и снижению прочности материала.

В [68] была изучена пористая структура цементного камня на 3, 20 и 60 сутки в зависимости от количества вводимого тонкомолотого перлита (0-40 % от массы цемента). Выявлено, что реакция перлита с продуктами гидратации ведет к уменьшению пористости (в среднем диаметром 6-40 нм). Кроме того, доказано [69-70], что тонкодисперсные добавки играют роли центров кристаллизации, интенсифицируя гидратацию минералов клинкера.

В исследовании [71] представлены данные изучения гидратационных процессов композитов с использованием мелкоизмельченных кварцсодержащих и известняковых минералов, в ранние сроки твердения. Была выявлена зависимость интенсификации гидратации от роста дозировки добавки в вяжущем, и это было обосновано возможностью минеральной добавки играть роль точки диссипации или выделения тепла в системе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мочалов Александр Викторович, 2020 год

£ 40 -

&

|30"

О 20 -10 -0

10"3 10"2 5x10-2 Ю-1 5х10-1 1 5 10 20 30 40 Эквивалентный радиус пор, мкм

Рисунок 4.24 - Распределение пор фибробетона на КВ по размерам в возрасте 1, 7 и 28 дней

При росте объемной концентрации добавок в системе проявляется эффект микронаполнения, способствующий уменьшению пористости цементного камня. В том случае, когда частицы добавки гораздо мельче частиц цемента, критерием оптимального уровня содержания наполнителя может служить максимальная плотность упаковки частиц в составе цементного теста. А в случае соизмеримости частиц цемента и наполнителя, критерием является

максимальное насыщение цемента тонкодисперсной добавкой без образования контактов между ее частицами.

Существование большого количества гидросиликатных новообразований подтверждается тем, что основная выявленная пористость композита - гелевая (<1-2 нм). Это приводит к структурообразованию цементно-композиционного камня с малоразмерной пористостью. Образованная таким образом высокоплотная упаковка позволяет предположить, что разработанный модифицированный композит, очевидно, будет обладать низкими характеристиками проницаемости. Для подтверждения этого предположения, далее в диссертации были проведены эмпирические исследования паро- и газопроницаемости.

Смоделируем проницаемость композита с помощью метода изучения решетчатой модели Больцмана. Данный метод - это недавно разработанная численная схема [200], основанная на динамике микроскопических частиц, которая дает решения для макроскопической гидродинамики. В методе решетчатой модели Больцмана физическое и скоростное пространство дискретизируются в правильную решетку узлов и набор микроскопических векторов скорости соответственно.

Каждый узел решетки содержит функцию распределения частиц ^ (х, /), в которой I - индекс каждого направления скорости, х - местоположение узла решетки, а ? - время. Жидкости моделируются как рой потоков и сталкивающихся частиц. Эволюция функций распределения частиц во времени может быть дана в соответствии с дискретным уравнением модели Больцмана:

^ = (х + е{М, г + Аг)- ^(х, г) = П,, где - оператор столкновения, который может быть определен с использованием методов порометрии. Левая часть уравнения представляет поток частиц, передавая распределение частиц в каждом узле его соседним узлам. Правая сторона обозначает столкновение частиц.

Рассмотрим данное уравнение для скоростей каждой решетки:

п = (х + е1м, г + Аг)- Г,(х, г) = (х, г) - (х , г)],

где £ и /¿е1? - функции неравновесного и равновесного распределения частиц в точке х в момент времени I,

т - время релаксации, которое связано с кинематической вязкостью жидкости и следующим образом у = с^т — 0,5) со скоростью звука или

скоростью распространения = -

в1 - это микроскопическая скорость в местоположении х в момент времени I.

Для 3D-моделирования решетки Больцмана наиболее широко используемой решеточной моделью является модель (рис. 4.25), в которой трехмерное дискретное фазовое пространство определяется кубической решеткой с 19 дискретными скоростями частиц как

Для данной модели равновесная функция распределения частиц

^е4 имеет вид

ГГ = щр[1 + е-§ + ^ -р

где р и и - макроскопическая плотность и скорость соответственно, wi - весовой коэффициент, связанный с ¡-м направлением, который задается как Wi = 1/3 (1 = 0), wi = 1/18 ^ = 1, 2, ... ,6) и Wi =1/36 ^ = 7, 8, ... ,18).

Локальные макроскопические свойства, такие как общая плотность р, полная скорость и и давление р каждого узла решетки, могут быть получены из

функции распределения частиц следующим образом:

18

¿=0 18

и

=

¿=0

Р = с1р

Таким образом, по данным формулам можно проектировать композиты с заданными защитными характеристиками непроницаемости.

Рисунок 4.25 - Направление векторов скоростей в решеточной модели Больцмана

Результаты исследования коэффициента паропроницаемости разработанного фибробетона из различных составов КВ изображены на диаграмме на рис. 4.26-4.27.

Анализ рис. 4.26-4.27 выявил минимальные характеристики коэффициента паропроницаемости для оптимального состава 2-2. Сравнивая показатели коэффициента паропроницаемости разработанных композитов с традиционным бетоном (0,03 мг/(мчПа)), следует отметить, что показатели коэффициента паропроницаемости образца 2-2 уменьшаются для сухого климата на 17% и для влажного климата на 16%. Эти результаты свидетельствует об образовании плотнейшей структуры разработанного композита.

Рисунок 4.26 - Результаты исследования характеристик паропроницаемости разработанных

фибробетонов

Рисунок 4.27 - Зависимость коэффициента паропроницаемости разработанных фибробетонов от количества наполнителя и суперпластификатора

Повышение удельной поверхности КВ позволяет управлять структурообразованием микрокапиллярных пор в объеме твердеющего композита, что приводит к общему уменьшению пор данной размерности, и, следовательно, к снижению паропроницаемости (и прочих видов проницаемости фибробетонного композита).

Исследуя зависимость характеристик проницаемости разработанного фибробетона от водовяжущего отношения, необходимо принимать во внимание седиментацию, происходящую из-за повышенной подвижности бетонной смеси, а, кроме того, различные показатели плотности и объемного расположения мелкого заполнителя и фибры. Седиментация смеси заключена в осаждении, в первую очередь, фибры. В процессе осаждения фильтруется вода, которая, выдавливаясь наверх, проходит мимо зерен песка, и, в результате, образуется система капиллярных пор. Эта фильтрация воды предопределяют наружное водоотделение и скопление воды на горизонтальных поверхностях фибробетонных образцов, и при этом верхний слой образца приобретает более пористую структуру. В то же время, в случае внутреннего водоотделения некоторое количество воды накапливается под нижними поверхностями фибры и мелкого заполнителя и формирует объемные пространства, располагающиеся параллельно слоям укладки фибробетонной смеси.

Расслоение самоуплотняющейся фибробетонной смеси было отмечено в разной степени в исследуемых образцах 1-1, 2-1, 3-1 и 3-3. У образцов 2-2 и 2-3, а также у контрольного образца фибробетона на чистом портландцементе осаждения не было обнаружено.

С целью исследования зависимости расслоения смеси от концентрации и ориентации фибры формовались лабораторные образцы, как с фиброй, так и неармированных. Установлено, что равномерное распределение большого количества по разному ориентированных фибр в бетоне противодействует водоотделению, седиментации, упрочняет контактную зону «заполнитель -цементный камень», препятствует трещинообразованию, повышает плотность и образцов.

Помимо этого, было доказано позитивное воздействие армирования фиброй на характеристики паропроницаемости фибробетонного композита.

Данный факт можно объяснить тем, что наличие определенным образом подготовленной и равномерно распределенной фибры в большой степени тормозит процессы изменения объема в твердеющем композите, предупреждая

возможности трещинообразования и дальнейшего раскрытия трещин различного генезиса.

Фибра способна довольно эффективно повысить способность бетонного композита поглощать энергию граничных напряжений, как внутренних (усадка), так и внешних (ударные воздействия, вибрация, внешняя нагрузка).

Далее проводилось исследование диффузионной проницаемости, которая характеризует проницаемость композита для вещества в отсутствии градиента давления при наличии разности концентраций, вызванной диффузией вещества. В ходе эксперимента применялся метод определения диффузионной проницаемости бетона для СО2. Характеристики данного вида газопроницаемости устанавливали по эффективному коэффициенту диффузии в карбонизированном слое фибробетонного композита на лабораторных образцах кубической формы размером 100 х 100 х 100 мм, изготовленных из бетона оптимального состава 2-2.

Исследование характеристики диффузионной проницаемости фибробетонного композита по отношению к СО2 дает возможность:

- рассчитывать период нейтрализации защитного слоя композита в газовоздушной среде, и оценивать долговечность фибробетонных конструкций по признаку сохранности материала фибры;

- определять рецептуру и технологию производства фибробетонных для конструкций защитных сооружений, рассчитываемых для эксплуатации в атмосфере с заданным содержанием углекислого газа (и на основании полученных результатов можно прогнозировать проницаемость для других газов).

Эмпирические данные толщины нейтрализованного слоя бетона Х (в см) обрабатывались и вычислялось среднее значение этой толщины по формуле:

п

1.x

X -

п '

где «=10 - количество испытаний (табл. 4.5).

Среднее квадратичное отклонение для данной серии измерении вычисляли следующим образом

5 =

(X, - X)2

п -1

Расчеты производились с надежностью 95% и вероятностью риска 20=0,05.

Границы поля допуска определялись следующим образом:

t1 = X - Ь • 5 ¿2 = х + ь • 5

где значение Ь определялось по справочной литературе.

Таблица 4.5- Средние значения толщины нейтрализованного слоя фибробетонного композита Х, см

№ образца X, Х;-Х (Х,-Х)2

1 7 -1,4 1,96

2 6,5 -1,9 3,61

3 11 2,6 6,76

4 10,5 2,1 4,41

5 7,5 0,9 0,81

6 8,5 0,1 0,01

7 10 1,6 2,56

8 9,5 1,1 1,21

9 7 -1,4 1,96

10 6,5 -1,9 3,61

Всего 84 26,9

IX

X =•

84 „ „ = — = 8,4см

п 10

5 =

(X, -X)2_ 26,9

п-1 V 10 -1

= 1,73

1Х = X - Ь • 5 = 8,4 - 3,39 • 1,73 = 2,54 мм

и = X + Ь • 5 = 8,4 + 3,39 • 1,73 = 14,26

мм.

Диффузионная проницаемость фибробетонного композита рассчитывалась по верхней границе поля допуска, таким образом глубина карбонизации принималась равной 14,3 мм.

Реакционная емкость бетонного композита т0 была рассчитана в относительных величинах по формуле:

т = 0Щ$ = 0,4 • 205 • 0,6 • 0,6 = 29,52

где, Ц - содержание цемента, г в 1 см бетона;

р - число основных оксидов в цементе в пересчете на СаО в относительных величинах по массе (для приближенного расчета р = 0,6);

/- степень нейтрализации бетона, которая равна отношению числа основных оксидов, вступивших во взаимодействие с СО2, к общему их количеству в портландцементе (в среднем / = 0,6).

Эффективный коэффициент диффузии СО2 в фибробетонном композите В рассчитывался следующим образом:

29,52 • 0,842

в'= 0

2

2Ст 2 • 0.1-14 • 24 • 3600

=0,03х10-4 см2/с

На рис. 4.28 изображена зависимость эффективного коэффициента диффузии разработанных фибробетонов от количества наполнителя и суперпластификатора.

Рисунок 4.28 - Зависимость эффективного коэффициента диффузии разработанных фибробетонов от количества наполнителя и суперпластификатора

В табл. 4.6 приведена классификация проницаемости бетона для углекислого газа согласно требованиям ГОСТ Р 52804-2007.

Таблица 4.6 - Классификация диффузионной проницаемости бетона

Бетон Эффективный коэффициент диффузии 4 2 углекислого газа D10 , см /с

Нормальной проницаемости Свыше 0,2 до 1,0

Пониженной проницаемости От 0,04 до 0,2

Особо низкой проницаемости Менее 0,04

Соответственно, выявлено, что разработанный фибробетонный композит имеет эффективный коэффициент диффузии В = 0,03 х 10-4 см2/с, позволяющий обеспечивать защитные функции помещения убежища от проникновения газов, и по нормированию газопроницаемости относится к бетонам особо низкой проницаемости.

Высокоплотная структура, способствующая повышению характеристик ударной вязкости и непроницаемости, подтверждается результатами электронной микроскопии (рис. 4.29).

Рисунок 4.29 - Микроструктура фибробетона: а) - фибра в бетонной матрице;

б) - переходная (контактная) зона

За счет применения полиминерального вяжущего обеспечивается хорошая адгезия цементно-композиционного камня к мелкому заполнителю и фибре (а), при этом новообразования переходной (контактной) зоны (б), образованные гидросиликатами второй генерации, упрочняют наиболее слабые

места. Можно видеть, что присутствие фибры в бетоне способствовало усиленному образованию геля CSH и умеренного количества хорошо закристаллизованного гидроксида кальция (CH), что приводит к образованию прочной переходной зоны раздела путем заполнения пор и трещин в бетоне, таким образом, повышают физико-механические свойства, ударопрочность и непроницаемость.

Сводная таблица эксплуатационных характеристик разработанных фибробетонов приведена в табл. 4.7.

4.5. Достоверность и воспроизводимость полученных результатов

В таблице 4.8 показаны результаты статистического анализа полученных в четвертой главе результатов (ANOVA); при этом для восьми исследуемых характеристик погрешность (P-value) менее 0,05, которые указывают, что

л

полученные результаты воспроизводимы. Коэффициенты R составляют 0,89, 0,95, 0,94, 0,95, 0,91, 0,98, 0,94 и 0,98 для расплыва конуса, предела прочности при сжатии, предела прочности при растяжении, модуля упругости, динамической прочности на сжатие, коэффициента ударной вязкости, паропроницаемости и эффективного коэффициент диффузии, соответственно,

л

все они близки к 1,00. Выборочные (predicted) R моделей получились

л

согласованы со скорректированным (adjust) R , тогда как различия были менее 0,2 для всех моделей.

На рис. 4.30 приведены результаты проверки воспроизводимости полученных результатов. Ввиду того, что все графики могут быть апроксимированы в прямые, полученные результаты можно считать воспроизводимыми.

Таблица 4.7 - Эксплуатационные характеристики фибробетона в зависимости от состава

№ состава Расход материалов на 1 м3 Расплыв конуса, мм Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Предел динамической прочности на сжатие, при скорости нагружения 110 с-1 МПа Коэффициент динамического упрочнения Коэффициент ударной вязкости, ц Коэффициент паропроницаемости, мг/(мчПа) Эффективный коэффициент диффузии, 10-4 см2/с Морозостойкость

Вяжущее, кг Суперпластификатор, кг Песок, кг Вода, л Фибра, кг

Цемент Наполнители КВ

1-1 702 452 11 1020 235 36 700 72,3 14,0 40,1 119,2 1,65 29 0,027 0,09 Б200

1-2 646 508 15 1020 223 36 730 75,8 14,5 41,0 125,1 1,65 33 0,025 0,05 Б300

1-3 582 572 18 1020 201 36 750 78,3 15,0 41,9 122,0 1,56 25 0,028 0,10 Б200

2-1 652 502 11 1020 253 36 720 81,0 15,4 42,2 125,3 1,55 26 0,026 0,08 Б200

2-2 606 548 15 1020 231 36 710 84,6 16,2 43,3 123,1 1,46 27 0,021 0,03 Б300

2-3 631 523 18 1020 203 36 690 84,0 15,8 43,0 117,1 1,39 26 0,024 0,04 Б300

3-1 601 553 11 1020 251 36 680 80,5 15,2 42,3 123,1 1,53 23 0,026 0,08 Б200

3-2 695 459 18 1020 196 36 680 77,3 14,9 41,8 128,9 1,68 24 0,025 0,05 Б300

3-3 631 523 15 1020 221 36 700 80,8 15,1 42,0 122,2 1,51 20 0,024 0,04 Б300

ЦЕМ I 42,5 Н* 545 - - 1634 218 - 340 52,9 7,3 35,2 64,3 1,22 5 0,030 0,25 Б200

ПЦ+31% АКД 545 169 - 1465 241 - 310 51,2 6,9 34,0 63,2 1,23 15 0,031 0,19 Б200

ПЦ+1,3% СП 545 - 15 1601 182 - 670 55,3 7,4 41,2 66,0 1,19 17 0,030 0,21 Б200

* - состав не подвергался механоактивации, а отличие от других составов, измельченных до удельной поверхности 550 м /кг.

Таблица 4.8 - Результаты статистического анализа регрессионных моделей

Характеристика Число степеней свободы Я2 Я2 Рге-Я2 Аёед РгеаБюп Критерий Фишера Б Погрешностть модели (Р-уа1ие)

Расплыв конуса, мм 2 0,89 0.85 0.69 13.59 23.31 0.0015

Прочность при сжатии, МПа 3 0,95 0.92 0.85 16.62 33.59 0.0010

Прочность при растяжении, МПа 3 0,94 0.90 0.82 14.0373 24.8384 0.0020

Модуль упругости, ГПа 4 0,95 0.89 0.80 13.1089 17.2376 0.0087

Динамическая прочность, МПа 3 0,91 0.85 0.70 9.6351 16.2044 0.0052

Коэффициент ударной вязкости, ц 2 0,98 0.97 0.92 23.7729 64.2543 0.0007

Коэффициент паропроницаемости, мг(м-ч-Па) 3 0,94 0.91 0.79 11.8585 12.6500 0.0015

Эффективный коэффициент 4 2 диффузии, 10" cм /с 3 0,98 0.96 0.92 24.2061 83.3333 0.0001

Рисунок 4.23 - Прогнозируемая эффективность предложенных моделей

л _

Экстремальные отклонения

Экстремальные отклонения

г) Динамическая прочность при сжатии

в) Модуль упругости

Экстремальные отклонения

Экстремальные отклонения

е) Коэффициент ударной вязкости

д) Предел прочности при растяжении

Рисунок 4.23 (продолжение)

-2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00

Экстремальные отклонення ■Ж') Паропроницаемостъ

-3.00 -2.00 -100 0.00 1.00 2.00

Экстремальные отклонения з) Эффективный коэффициент диффузии

Рисунок 4.30 (окончание)

4.6. Выводы

1. Научно обосновано и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных фибробетонных композитов, обеспечивающих высокие прочностные характеристики (Ксж>84 МПа, Краст>16 МПа, Е=43,5 ГПа). При этом, сталефибробетон показал на 5-8% лучшие физико-механические характеристики, чем базальтофибробетон.

2. Выявленные реологические характеристики разработанных фибробетонных смесей позволяют классифицировать последние как самоуплотняющиеся бетонные смеси (марка 8Б2 по значению расплыва конуса).

3. Теоретико-экспериментальные исследования ударной прочности разработанных фибробетонов доказали повышение коэффициента ударной вязкости ц в 5,5-6 раз за счет оптимизации матрицы цементного камня и поглощения энергии удара волоконным мостом (стальной фиброй). При этом коэффициент динамического упрочнения КДУ возрастает до 1,68 за счет перераспределения напряжений на стадии структурообразования и торможения роста трещин и снижении концентрации напряжений при нагружении.

4. Предложена эмпирическая формула для описания зависимости КДУ от скорости деформации фибробетонов; она предполагает применимость модели СЕВ^ГР для скоростей деформации ниже скорости деформации перехода и линейного увеличения КДУ с логарифмом скорости деформации выше скорости перехода.

5. Исследование пористости рядом взаимодополняющих методов показало снижение технологических и капиллярных пор, т.е. композиты на разработанном КВ имеют относительно низкую пористость.

6. Сравнивая показатели паропроницаемости этих составов с традиционным бетоном (0,03 мг/(м^Па)), выявлено, что характеристики полученного оптимального состава снижаются для сухого климата на 17% и для влажного климата на 16%. Кроме того, разработанный фибробетон имеет эффективный коэффициент диффузии В = 0,03 х10_4см2/с, позволяющий обеспечивать защитные функции помещения убежища от проникновения газов, по характеристике газопроницаемости классифицируется как бетон особо низкой проницаемости.

5. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Диссертация выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Результаты диссертации были представлены на выставке в рамках Восточного экономического форума (Владивосток, 2019), проводимого под руководством Президента РФ В.В. Путина, а также на Международном военном научно-техническом форуме «Армия-2019» (Московская обл.), проводимого под руководством Министра обороны РФ С.К. Шойгу.

Теоретические положения и практические выкладки диссертации, полученные результаты эмпирических исследований применяются в ходе учебного процесса при подготовке специалистов по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» (военно-учетная специальность «Применение подразделений по фортификационному оборудованию, маскировке, строительству и эксплуатации сооружений и объектов военной инфраструктуры»), это отражено в учебных материалах дисциплин «Строительство и эксплуатация сооружений и объектов военной инфраструктуры» и «Основы фортификации и маскировки», а также при выполнении НИР и выпускных квалификационных работ в ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет» (прил. 3).

5.1 Разработка нормативной документации на производство композиционного вяжущего и фибробетона на его основе

Следует отметить, что до настоящего времени в нашей стране отсутствуют нормы для проектирования и исследования СУБ. Кроме того, согласно информационной системе «Техэксперт» российские нормы не эквивалентны зарубежным (табл. 5.1).

Соответственно, необходимо отметить несогласованность в отечественных и зарубежных нормах, касающихся самоуплотняющихся

бетонов, а также их компонентов. Это создает сложности составов, а также при определении физико-механических характеристик данного класса бетонов.

при проектировании и эксплуатационных

Таблица 5.1 - Несоответствие российских и зарубежных норм

№ п/п Российские нормы Зарубежные аналогичные, но не эквивалентные нормы

ГОСТ Р 56593-2015 «Добавки минеральные для EN 206-1: 2000

1 бетонов и строительных растворов. Методы EN 13263-1-2005+A1:2009

испытаний» EN 450-1:2009

ГОСТ Р 56592-2015 «Добавки минеральные для EN 206-1: 2000

2 бетонов и строительных растворов. Общие EN 13263-1-2005+A1:2009

технические условия» EN 450-1:2009

3 ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы CEN EN 13350: 2009

испытаний» (в 7 частях)

ГОСТ Р 56178-2014 «Модификаторы органо-

4 минеральные типа МБ для бетонов, EN 934-2:2001

строительных растворов и сухих смесей. Технические условия» СEN EN 13263-1:2005

5 ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» CEN EN 13390: 2009 (в 5 частях)

CEN EN 13390-9: 2009

6 ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы ASTM C671:1994

определения морозостойкости» ASTM C672:1998 ASTM C666:2008

7 ГОСТ 18105 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности» EN 206-1: 2000

8 ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия» EN 206-1: 2000

ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и

9 строительных растворов. Общие технические условия» EN 934-2: 2001

ГОСТ 30459-2008 «Добавки для бетонов и EN 934-6: 2001

10 строительных растворов. Определение и оценка эффективности» CEN EN 480-1: 2007

С целью использования полученных в диссертации результатов подготовлен и утвержден ряд документов технического и нормативного характера:

1. Стандарт организации СТО 02033955-057-2018 «Композиционное вяжущее» (прил. 1), в котором отражены:

- основные области использования композиционного вяжущего;

- заданные характеристики исходного сырья;

- технология изготовления композиционного вяжущего;

- необходимые характеристики и правила применения (оптимальные рецептуры) КВ.

2 Технологический регламент на производство фибробетонов для защитных сооружений (прил. 2), который включает в себя:

- характеристику производимых фибробетонов;

- описание технологии производства КВ;

- технологические приемы изготовления фибробетона;

- нормы технологических операций;

- вопросы контроля продукции;

- требования к приемке;

- вопросы техники безопасности и элементы производственной санитарии;

- опись необходимой технической документации.

Научная новизна предлагаемых решений подтверждена следующими объектами интеллектуальной собственности:

1. Патент РФ № 2685384 «Специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений», заявл. 17.04.2018, опубл. 17.04.2019.

2. Ноу-хау на технологию получения активной кремнеземсодержащей добавки, в этом секрете производства отражены условия термической обработки рисовой шелухи.

5.2 Внедрение технологической линии производства фибробетонов

Апробационные аспекты диссертационных результатов в части, касающейся оптимизации технологических операций по изготовлению КВ в промышленных масштабах, внедрялись на мощностях ООО «Факир» (г. Владивосток) (прил. 5) и Морской инженерной службы Тихоокеанского флота (прил. 6).

Основные технологические операции в изготовлении фибробетонов следующие:

1. Совместное измельчение составляющих КВ в варио-планетарном помольном агрегате.

2. Приготовление самоуплотняющейся фибробетонной смеси путем смешивания композиционного вяжущего, суперпластификатора, заполнителя, фибры и воды.

3. Осуществление контроля качественных параметров перед отпуском готовой продукции.

Основу технологической схемы составляет промышленный процесс поточного изготовления бетонной смеси и изделий на её основе, с незначительной модификацией технологической линии [194, 195]. Рациональная рецептура КВ разработана и представлена в главе 3 диссертации, проектирование эффективного состава фибробетонного композита описывается в главе 4. Технологическая схема, описывающая последовательность операций и производственных переделов представлена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 - Разработанная технологическая схема производства композиционного

вяжущего и фибробетона на его основе

Разработанная технологическая схема была апробирована при помощи материально-технической базы Морской инженерной службы Тихоокеанского флота.

Суть технологической схемы заключается в следующем. Исходные сырьевые материалы доставляют на завод автомобильным транспортом (1). Через весовые дозаторы (7-10) из бункеров для хранения сырья (2-5) необходимое количество портландцемента, активной кремнеземсодержащей добавки, кварцевого песка и отсева дробления известняка поступает в варио-планетарную мельницу. Длительность процесса получения композиционного вяжущего может варьироваться в зависимости от мощности мельницы и габаритных размеров смесителей. Ввиду того, что температура в помольном агрегате может превышать 100°С, суперпластификатор не участвует в совместном помоле с КВ, а добавляется уже на следующем этапе в бетоносмеситель.

На полученные физико-механических свойства материала влияют подбор составляющих КВ, их вводимое количество, и, кроме того, режимы их активации. Для получения смеси с наиболее эффективными требуемыми характеристиками необходимо в течение определенного, контролируемого промежутка времени провести механоактивацию исходных сырьевых компонентов.

Дальнейший процесс производства фибробетона на основе КВ включает в себя введение мелкого заполнителя из бункера для хранения фракционированного сырьевого компонента (13), воды (14), фибры (15) и суперпластификатора (6) при помощи весовых дозаторов (11, 16-18), а также готового вяжущего через дозатор (19) непосредственно в бетоносмеситель (20), где, в результате перемешивания происходит равномерное распределение всех компонентов фибробетонной смести.

Дозировка компонентов должна осуществляться с высокой точностью., контролируемой автоматизировано. Далее приготовленная смесь проходит контроль качества (21) и помещается в бункер временного хранения готовой смеси (22), откуда потом при помощи объемного дозатора (23) отгружается в автоцементовоз (24) для доставки потребителю. Оптимальное время активации фибробетона в бетоносмесителе составляет порядка 5-9 минут до получения однородной плотной массы.

Соответственно, разработана технологическая линия изготовления композиционного вяжущего и фибробетона на его основе, широкомасштабное внедрение которой не требует значительного переоснащения в действующих линиях по выпуску бетона.

ООО «Факир» приняло к внедрению технологию производства композиционных вяжущих и фибробетонов на их основе. В частности, произведена опытная партии фибробетона в количестве 3 м3. Выявлено, что данная партия соответствует заявленным техническим характеристикам и может применяться для строительства несущих и ограждающих конструкций защитных сооружений.

5.3. Внедрение при строительстве защитных сооружений

На полигоне Морской инженерной службы Тихоокеанского флота изготовлено три опытных сооружения для защиты личного состава. Испытания на ударную вязкость и непроницаемость показали перспективность данных материалов. Полученные характеристики:

- статическая прочность при сжатии - 83,2 МПа;

- скорость деформации для статического испытания - 6,27* 10-5с-1;

- динамическая прочность при сжатии - 119,1 МПа;

- скорость деформации для ударного испытания - 1,99 с-1;

- коэффициент динамического упрочнения - 1,43;

- коэффициент паропроницаемости - 0,028 мг/(м-ч-Па);

4 2

- эффективный коэффициент диффузии углекислого газа - 0,03-10- см /с.

Инженерные Войска Вооруженных Сил Российской Федерации проявили

интерес к разработанным материалам. Руководством МО РФ дано указание Центральному научно-исследовательскому институту инженерных войск на внедрение разработанных композиционных вяжущих и фибробетонов на их основе для строительства фортификационных сооружений (прил. 8).

5.4. Технико-экономическое обоснование эффективности производства фибробетона на основе КВ

Применение разработанных материалов позволит не только значительно снизить ущерб от природных и техногенных катастроф, но, самое главное, сберечь человеческие жизни и здоровье.

В предыдущих главах доказано, что разработка и применение композиционных вяжущих позволяют решить ряд проблем, сопутствующих цементной промышленности, таких как: высокая энергоемкость и стоимость продукции, значительные выбросы в атмосферу, возможность дефицита сырья в определенных регионах России. К тому же техническое состояние многих предприятий, работающих на старых производственных мощностях, требует

проведение технического перевооружения, что, в свою очередь, подразумевает значительные капитальные затраты.

В связи с этим разработка полиминеральных вяжущих веществ, не требующих длительной обработки при высоких температурах, упрощает не только технологический процесс, но и приобретает экономическую эффективность.

Для обоснования экономической эффективности фибробетона на основе КВ был произведен расчет экономии материальных затрат по сравнению с производством классического фибробетона на основе цемента. Сравнение производили по материальным затратам на производство 1 м фибробетона

-5

плотностью 2200 кг/м .

Расчет экономии материальных затрат при производстве фибробетона на

основе композиционного вяжущего

Экономия материальных затрат вычисляется следующим образом:

ЭГод — 0-1 — Сг) х ^ — Книр где С1 - базовая стоимость материальных затрат при производстве 1 м фибробетона, руб;

-5

С2 - проектная стоимость материальных затрат на 1 м фибробетона, руб.;

3

В - годовой выпуск продукции, м ;

КНИР - затраты на научно-исследовательскую работу, руб.

Данные о стоимости сырьевых материалов и электроэнергии взяты из интернет-источников и прайс-листов предприятий-поставщиков продукции.

Текущие (предпроизводственные) затраты на проведение научно-исследовательских работ рассчитываются следующим способом:

СНИР =Смат + Сзп +Ссоц.н+Сэкс +Снт +Спр +Снак +Скон

где Смат - затраты на покупку компонентов, изделий и заготовок, которые прописаны в техническом задании на выполнение научно-исследовательской работы, определяются по видам и группам, руб.

Сзп - заработная плата (основная и дополнительная) научно-технического персонала, руб., рассчитываемая по формуле:

где ч; - количество работников, выполняющих НИР, чел;

Зст - оклад (тарифная ставка) работника НИР, руб. С 1.05.2018 г. МРОТ приравнен к прожиточному минимуму и для Приморского края составляет 11163 руб.;

ТНИР - период выполнения НИР, мес.; в данном исследовании ТНИР = 36 месяцев (срок обучения в аспирантуре);

х - средний процент доплат к тарифному фонду, % (х = 70 %)

У = 30 % - отчисления на социальные нужды.

Ссоц.н. = 683176 * 30 % = 204953 руб. Сэкс - затраты на эксплуатацию оборудования, установок стендов, приборов, приспособлений и инструментов для выполнения НИР, руб.

Сэкс = Са + Ср + Сэн +Сэвм; где Са - затраты на амортизацию оборудования;

К - норма амортизации, 6 %; Цоб - цена оборудования.

В рамках выполнения НИР использовался испытательный пресс гидравлический ПГМ 100 стоимостью 500 000 руб. Тэксп — время эксплуатации оборудования.

¿=1

Сзп = 1 * 11163 * 36 * (1 + 0,7) = 683176 руб. Ссоц.н. - отчисления на социальные нужды, руб.

Ссоц.н. = Сзп X У

Тэксп = побр хТисп = 300 образцов *0,1 часа = 30 час. Тнорм — нормативный срок службы, равный 15 000 часов.

Са = 0,06*500 000*30/15000=60 руб.

Ср - затраты на текущий ремонт оборудования; Ср = 0 руб.

Сэн - затраты на энергию, необходимую для проведения НИР, руб.

Сэн = тТэф .м^Цэн,

где N - мощность, потребляемая оборудованием, кВт;

Тэф.м - фактический фонд времени работы оборудования по НИР, маш.хч;

Цэн - тариф (цена) за 1 кВт/ч энергии (3,62 руб.).

Расчет затрат на электроэнергию приведен в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Смета затрат на электроэнергию

Потребитель Потребляемая мощность, кВт-ч Фактическая продолжительность работы, ч Тариф на электроэнергию, руб/кВт-ч Сумма затрат, руб.

Варио-планетарная мельница 9 9 293,2

«Пульверизетте-4»

Установка для

исследования 4 20 3,62 289,6

ударной вязкости

Пресс

гидравлический ПГМ 100 0,2 30 21,7

ИТ ГОГО 604,5

Сэвм- затраты на использование вычислительной техники;

Сэвм = Тф^Цэвм Тф - фактический фонд времени работы ЭВМ, маш.-ч. Цэвм - стоимость часа работы ЭВМ, руб

Сэвм= 100x30 = 3000 руб. Сэкс = 60 + 604,5 + 3000 = 3664,5 руб. Снт - расходы на научно-техническую информацию (100 руб.); Ском - расходы на командировки, связанные с выполнением НИР (0 руб.). Спр - прочие прямые затраты, руб. (к ним относят оплату консультаций, экспертиз патентного поиска и т. п.), равные 10 % от прямых расходов:

Накладные расходы (Снак) определяют от прямых затрат в размере 10 %. Обобщенная калькуляция затрат на выполнение НИР приведена в смете (табл. 5.2).

Таблица 5.2 - Смета затрат на проведение научно-исследовательской

работы

№ п/п Статьи затрат Сумма, руб

1 Материалы основные, покупные комплектующие и изделия 0

2 Основная и дополнительная зарплата 683176

3 Отчисления на социальные нужды 204953

4 Затраты на эксплуатацию оборудования 3664

5 Затраты на научно-техническую информацию 100

6 Расходы на командировки 0

ИТОГО прямые расходы 891893

7 Прочие прямые расходы 89189

Всего прямые расходы 981082

Накладные расходы 98108

ИТОГО 1079190

Таким образом, сумма затрат на НИР составила 1079190 руб. Проведем сравнение экономической эффективности разработанных составов. Расход материалов на 1 м композиционного вяжущего рассмотрим в табл. 5.3. Таким образом, затраты на производство оптимального состава композиционного вяжущего составляют 4332 руб. В то же время, предприятия, выпускающие бетон, закупают цемент ЦЕМ I 42,5 Н по 4450 руб. Следует отметить, что производство композиционного вяжущего можно организовать как на отдельном предприятии, так и в рамках действующего бетонного завода. В последнем варианте, возможно использование вяжущего по себестоимости, и, как следствие, можно повысить экономическую эффективность производства в целом.

Таблица 5.3 - Материальные затраты на производство 1 т композиционного вяжущего состава 2-2

Наименование статьи Норма расхода на 1 т Цена за единицу Стоимость на 1 т КВ,

затрат вяжущего, единиц продукции, руб. руб.

Цемент, т 0,555 4450 2336

АКД, т 0,31 - -

Отсев дробления 0,05 120 6

известняка, т

Кварцевый песок, т 0,055 1750 96

Суперпластификатор, т 0,013 120000 1560

ИТОГО 3998

Электроэнергия, кВт-ч 210 3,62 434

ИТОГО 4332

Ниже приведен расчет стоимости производства 1 м самоуплотняющегося фибробетона на основе КВ (табл. 5.4).

-5

С другой стороны стоимость возведения 1 м железобетонной ограждающей конструкции с примерно аналогичными характеристиками в среднем для Приморского края составляет 8700 руб.

Таблица 5.4 - Материальные затраты на производство 1 м3 _самоуплотняющегося фибробетона на основе КВ_

Статья затрат Ед. изм Стоимость за единицу, руб. Расход на 1 м3, кг Цена, руб

Вяжущее кг 4,332 1139 4934

Кварцевый песок кг 1,750 1005 883

Стальная фибра кг 62 33 2046

Вода л 0,025 228 5

ИТОГО 8418

Произведем расчет условно-годовой экономии с учётом максимальной

-5

годовой производительности технологической линии 10000 м /год. В этом случае годовая экономия составила:

Эгод = (8700 - 8418)-10000 - 1 079 190 = 1 740 810 руб. Таким образом, анализ технологической и экономической составляющих производства самоуплотняющегося фибробетона на основе КВ позволяет говорить о целесообразности и рациональности внедрения данной разработки. Применение отходов растениеводства и камнедробления в качестве компонентов вяжущего и реализация его производства в рамках предприятия по выпуску самоуплотняющегося фибробетона позволяет использовать КВ по себестоимости. В тоже время замещение части цемента в вяжущем значительно повышает экологический фактор, как технологии, так и самих материалов на основе КВ.

5.5. Выводы

1. Разработана технологическая линия производства КВ и самоуплотняющегося фибробетона на его основе, которая планируется к

внедрению на цементных и бетонных заводах Приморского края с минимальной модернизацией имеющихся производственных мощностей.

2. С целью использования полученных в диссертации результатов подготовлен и утвержден ряд документов технического и нормативного характера:

- стандарт организации СТО 02033955-057-2018 «Композиционное вяжущее»;

- технологический регламент на производство фибробетонов для защитных сооружений.

3. Научная новизна предлагаемых решений подтверждена следующими объектами интеллектуальной собственности:

- патент РФ № 2685384 «Специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений», заявл. 17.04.2018, опубл. 17.04.2019.

- ноу-хау на технологию получения активной кремнеземсодержащей добавки.

4. Апробационные аспекты диссертационных результатов в части, касающейся оптимизации технологических операций по изготовлению КВ в промышленных масштабах, внедрялись на мощностях ООО «Факир» (г. Владивосток) и Морской инженерной службы Тихоокеанского флота.

5. Анализ технологической и экономической составляющих производства самоуплотняющегося фибробетона на основе КВ позволяет говорить о целесообразности и рациональности внедрения данной разработки. Применение отходов растениеводства и камнедробления в качестве компонентов вяжущего и реализация его производства в рамках предприятия по выпуску самоуплотняющегося фибробетона позволяет использовать КВ по себестоимости. В тоже время замещение части цемента в вяжущем значительно повышает экологический фактор, как технологии, так и самих материалов на основе КВ.

Итоги выполненного исследования.

Установлено, что самоуплотняющиеся мелкозернистые фибробетоны, разработанные на основе многокомпонентных композиционных вяжущих, являются эффективными для строительства и эксплуатации защитных сооружений. Выявлена взаимосвязь между компонентами КВ, содержанием мелкого заполнителя и процессами структурообразования, что позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики.

Установлены закономерности влияния рецептурных и технологических факторов на реологические характеристики бетонной смеси, а также на статическую и динамическую прочность и непроницаемость фибробетонов:

- выявлено, что использование композиционного вяжущего, состоящего из 59% портландцемента, 31% активной кремнеземсодержащей добавки, 5% кварцевого песка и 5% известняка, совместно измельченного до удельной поверхности 550 м /кг, при добавлении 1,3% суперпластификатора, оптимизирует микроструктуру композита при увеличении его предела прочности при статическом сжатии более чем на 60 %;

- разработана технология получения активной кремнеземсодержащей добавки, позволяющая получить аморфно-кристаллический диоксид кремния. Аморфная фаза интенсифицирует связывание гидроксида кальция, образующегося в ходе гидратации клинкерных минералов, способствует росту низкоосновных гидросиликатов кальция и уменьшению основности цементного камня, одновременно сокращая количество портландита. Кристаллическая фаза диоксида кремния в форме в-кварца играет роль центров кристаллизации новообразований, уплотняющих микроструктуру цементного камня. Частички известняка способствуют образованию гидрокарбоалюминатов кальция, а также вместе с тонкомолотым кварцевым песком выступают в роли микронаполнителя, кольматируя поры цементного камня.

- разработана широкая номенклатура самоуплотняющихся бетонных смесей и высокотехнологичных фибробетонов на разработанном КВ, обеспечивающих заданные защитные характеристики (Я^т. сж = 72-84 МПа,

Rст. раст = 14-16 МПа, Ядин. сж = 117-129 МПа, Е=40-43 ГПа; коэффициент

4 2

диффузии D-0,03x10- см /с). Оптимальные составы были запроектированы на основе определенных природных техногенных ресурсов Приморского края, которые имеют высокую адгезию к цементной матрице и малопроницаемую микроструктуру.

- выявлено повышение коэффициента ударной вязкости ^ разработанных фибробетонов в 5,5-6 раз за счет оптимизации матрицы цементного камня и поглощения энергии удара волоконным мостом (фиброй). Коэффициент динамического упрочнения КДУ возрастает до 1,43 за счет перераспределения напряжений на стадии структурообразования и торможения роста трещин и снижения концентрации напряжений при нагружении. При этом статическая прочность на сжатие разработанного фибробетона повышена по сравнению с контрольными образцами на 60%, ударная вязкость - до 6 раз, трещиностойкость - до 9 раз.

Разработана технология производства KB и самоуплотняющегося фибробетона на его основе, которая может быть внедрена на цементных и бетонных заводах Приморского края с минимальной модернизацией имеющихся производственных мощностей.

Для широкомасштабного внедрения результатов диссертационной работы разработаны следующие нормативные и технические документы: ноу-хау на технологию получения АКД; стандарт организации СТО 02033955-057-2018 «Композиционное вяжущее»; технологический регламент на производство фибробетонов для защитных сооружений. Апробация полученных результатов экспериментальных исследований связанных с оптимизацией процессов производства композиционных вяжущих в промышленных условиях осуществлялась на мощностях ООО «Факир» (г. Владивосток) и Морской инженерной службы Тихоокеанского флота.

Рекомендации и перспективы дальнейших исследований:

Продолжение исследований целесообразно осуществлять в направлении расширения номенклатуры строительных композитов для создания безопасной среды обитания человека за счет разработки многокомпонентных

композиционных вяжущих, позволяющих управлять процессами структурообразования на нано-, микро- и макроуровнях. Это позволит создать новые композиты для широкого применения, как в гражданском строительстве, так и для возведения специальных объектов.

1. Котляревский В.А. Убежища гражданской обороны: конструкция и расчет / В.А. Котляревский, В.И. Ганушкин, А.А. Костин и др. - М.: Стройиздат, 1989. - 606 с.

2. Бирбраер А.Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А.Н. Бирбраер, А.Ю. Роледер. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 594 с.

3. Riera J.D. On the Stress Analysis of Structures Subjected to Aircraft Impact Forces // Nucl. Engng. and Des. 1968. Vol. 8. P. 415-426.

4. Riera J.D. A Critical Reappraisal of Nuclear Power Plant Safety Against Accidental Aircraft Impact // Nucl. Engng. and Des. 1980. Vol. 57. P. 193-206.

5. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. -М.: Стройиздат. - 278 с.

6. Егер Т. Бетоны в технике защиты от излучений. - М.: Атомиздат, 1960. - 84 с.

7. Королев Е.В. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы / Е.В. Королев, А.П. Прошин, Ю.М. Баженов, Ю.А. Соколова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Палеотип, 2006. - 272 с.

8. Дубровский В.Б. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизирующих излучений / В.Б. Дубровский, З.А. Аблевич. - М.: Стройиздат, 1983. - 240 с.

9. Комаровский А.Н. Строительные материалы для защиты от излучений ядерных реакторов и ускорителей. - М.: Атомиздат, 1958. - 116 с.

10. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. -М.: Стройиздат, 1977. - 278 с.

11. Раманкулов М.Р. Изучение зависимости проникающей способности у-излучения от толщины проб и концентрации ВаО в цементе / М.Р. Раманкулов, У.Б. Байтасов, А.С. Сейтказиев. - М.: Атомиздат, 1975. - 154 с.

12. Дубровский В.Д. Бетоны на железорудных заполнителях в условиях высоких радиационно-температурных нагрузок / В.Д. Дубровский, Г.И. Жолдак и др. // Вопросы физики защиты реакторов. - М.: Атомиздат, 1972. - 124 с.

13. Ма Б.М. Материалы ядерных энергетических установок. - М.: Энерго-атомиздат, 1987. - 405 с.

14. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений / В.П. Машкович, А.В. Кудрявцева. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 128 с.

15. Прошин А.П. Строительные растворы для защиты от радиации / А.П. Прошин, Е.В. Королев, Н.А. Очкина, С.М. Саденко. - Пенза: ПГАСА, 2002. -202 с.

16. Прошин А.П. Особо тяжелый высокопрочный бетон для защиты от радиации с использованием вторичных ресурсов / А.П. Прошин, В.С. Демьянова, Д.В. Калашников. - Пенза: ПГУАС, 2004. - 140 с.

17. Патент №2197024. Композиция для защиты от ионизирующих излучений / А.П. Прошин, А.А. Володин, Е.В. Королев.- Опубл. 20.01.2003.

18. Загоруйко Т.В. Бетон повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий: дисс. ... канд. техн. наук. 05.23.05. - Воронеж, 2015. - 163 с.

19. Загоруйко Т.В. К вопросу о термостойкости и огнестойкости строительных материалов: материалы IV международной научно-практической конференции / Т.В. Загоруйко. - Воронеж, 2009. - С. 85-87.

20. Загоруйко Т.В. Пути повышения термо и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них [Электронный ресурс] / Итоги 64-й всероссийской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов университета с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий». - Воронеж, 1 электрон. опт. диск (CD-ROM);12 см. - Систем. требования: ПК с процессоров 486 +; Windows95; дисковод CD-ROM; Adobe Acrobat Reader.

21. Хежев Т.А. Технология армоцементных конструкций высокой огнестойкости с теплозащитным слоем из эффективного легкого бетона: автореф. дис. ... доктора техн. наук : 05.23.05 / Рост. гос. строит. ун-т Ростов-на-Дону, 2007 - 39 c.

22. Рикошинский А. Огнестойкость материалов и конструкций для строительства складских комплексов / А. Рикошинский // Склад и Техника, 2006. - №9 [Электронный ресурс]. URL: http: //www.sitmag.ru/article/buildsklad/2006_09_A_2007_02_02-18_31_06/.