авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Формирование структуры, состава и свойств высокопрочных мелкозернистых бетонов для сборных покрытий автомобильных дорог

-- [ Страница 2 ] --

Показано, что для расчета железобетонных плит колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог наиболее широко применяются методы расчета конструкций на упругом полупространстве Б.Н. Жемочкина, М.И. Горбунов-Посадов и И.А. Симвулиди, а также методика расчета по инструкции ВСН 197-91, которая предлагает определять изгибающие моменты при приложении колесной нагрузки в центре, на краю, в углу, и на торце плиты в продольном и поперечном направлениях.

Для определения максимальных усилий в плитах преимущественно применяют две расчетные схемы (С.В.Коновалов):

1) бесконечная сплошная по сечению плита с внешней нагрузкой в центре, которая вызывает действие положительного изгибающего момента;

2) полубесконечная плита с внешней нагрузкой вблизи торца, которая вызывает действие отрицательного момента.

Теоретически и экспериментально было установлено (В.И. Чернякевич, А.Д. Грязин, В.В. Савельев, Н.Н. Пушкаренко), что длина плиты является одним из основных параметров колейного покрытия лесовозной дороги. При формовании дорожной плиты и получении качественной объемной структуры из подобранного для нее состава бетона необходимо четко соблюдать технологический режим виброуплотнения бетонной смеси. Особенно это регламентируется к жестким бетонным смесям с малыми водоцементными отношениями и расходами цементного вяжущего.

Во второй главе на основе разработанной П.А. Ребиндером физико-химической механики представлены теоретические принципы формирования высокопрочной структуры мелкозернистого бетона с использованием кварцевых микрочастиц в качестве наполнителей цементной матрицы в органических и минеральных вяжущих в период управления структурообразованием строительного композиционного материала между физико-химическими и технологическими процессами.

Основными положениями в физико-химической механике являются принципы когерентности (соответствия), оптимальной дисперсности (для снижения дефективности кварцевого зерна размер его микрочастиц должен превалировать в пределах 1 мкм), гомогенности и предельной уплотняемости.

Эффективное использование дисперсных частиц состоит в их активации, что позволяет достичь значительной (хемосорбционной) прочности в контактных зонах взаимодействий в рассматриваемых строительных материалах на цементном, битумном и полимерном вяжущих. В них кроме адгезионной связи возникают направленные электронно-ионные взаимодействия, усиливающие первоначальные (физические) адгезионные связи за счет молекулярно-электрической природы.

Гипотеза формирования структуры материала с использованием дисперсных частиц на основе физико-химического процесса заключается в оптимизации условий для проявления активных состояний минеральных компонентов и вяжущих в момент их технологического взаимодействия в адгезионном контакте на границе раздела двух фаз: тонкой пленки вяжущего геля и поверхности кислого по природе кварцевого зерна как удельных разнополярных электрических взаимодействий. Эта гипотеза в технологии мелкозернистых бетонов на различных вяжущих (портландцемент, битум, полимер) основана на трех положениях: 1 – электронно-ионная технология обработки исходных материалов; 2 – вибрационная технология перемешивания, уплотнения бетонной смеси при формировании изделий; 3 – методы исследования структурно-реологических свойств материалов ( определение физических параметров дисперсно-структурных материалов от внешнего механического и климатического воздействий).

Создание энергетического объема на поверхности кварцевых зерен мелкозернистого песка зависит от атомно-молекулярных особенностей структуры кремнезема. Это достигается разрушением поверхностного слоя кварцевых зерен с образованием ювенильной поверхности, на которой впоследствии образуются группы SiOH, являющиеся активными центрами для щелочных вяжущих. Для активных отрицательных центров (битум, полимер) взаимодействие с SiO2 должно осуществляться через введение в композитную смесь добавок, создающих щелочную среду или поверхностно-активных веществ.

Примеси оксидов щелочных и щелочно-земельных материалов на поверхности кварцевых зерен могут заменить часть ионов водорода ОН-групп ионами Na+, K+, Ca2+ и создавать водощелочную среду и тем самым способствовать улучшению контактной связи с органическими вяжущими.

В создании структурной плотности и прочности мелкозернистого цементного бетона рассматриваются два технологических этапа. К первому этапу относят самопроизвольное объединение дисперсной системы в структурные блоки за счет снижения избыточной энергии системы (цементное зерно-наполнитель-вода). Ко второму – внешнее механическое воздействие на систему для создания плотной структуры дисперсной системы, которая может быть создана за счет изменения числа молекул в структурном блоке за счет изменения расстояния между ними, а, следовательно, и между твердыми частицами наполнителя. При продолжительном механическом давлении первоначальные структурные блоки могут быть нарушены и доведены до упорядоченной структурной блок-сетки.

Схема более плотной упаковки матричной системы и зерен наполнителя приведена на рис. 1.

Механическое давление на систему приводит к сближению структурных частиц с разрушением их первоначальной структуры (рис.1 а), перемещению частиц в них до состояния, в котором сферы сближаются до величины 2h0 (рис.1 б). Если величина диаметра частицы наполнителя из кварцевого песка в матричной фазе будет иметь размер 5-10 мкм, то толщина сферы ее может составить не менее 1,4 мкм (А.П. Бобрышев, В.И. Соломатов). Дополнительное использование стандартной вибрации с частотой колебания f = 50...60 Гц сближает сферы граничных слоев матрицы дисперсных частиц вплоть до их перекрытия. При протекании (сдвиге) структурных блоков более крупные зерна заполнителя композиционного материала также сближаются на расстояние, которое зависит от числа находящихся кварцевых частичек наполнителя в единичной матричной фазе на момент прекращения вибровоздействия. Можно предположить, что при минимальном расстоянии (2-3) d между частицами с величиной d = 10 мкм и при одночастотном вибрировании с f = 50 Гц перемещению подвергаются более крупные кварцевые частицы диаметром 0,4-1,5 мм.

Для перемещения более мелких частиц твердой фазы в матричной фазе необходимо увеличить частоту колебаний до f = 120 Гц и более (А.Е. Десов), что позволит снизить толщину сферы из цементной пленки микрочастицы при обдире во время колебания, уменьшить расстояние между частицами на величину одного диаметра кварцевого наполнителя с цементной пленкой вокруг нее. Для этого необходимо подвести к дисперсной системе с основным колебанием f=50 Гц, колебание с более увеличенной частотой вибрации f, то есть осуществить совместное воздействие двух простых гармоничных колебаний типа разночастотного вибрационного уплотнения.

Рис. 1. Модели взаимодействия двух частиц наполнителя через граничные слои матрицы: а) в рыхлосвязанном состоянии; б) в прессованном; в) вибропрессованном; г) поливибропрессованном (hо – проницаемые оболочки из цементной пленки; – расстояние дальнедействия микрочастиц; d – диаметр микрочастиц; D – общий диаметр частицы со сферой из цементной пленки; hад – толщина адсорбционного слоя двухслойной сферы)

Такое виброуплотнение связано с отжатием диффузной влаги сольватированной оболочки частиц твердой фазы, перемещением ионов жидкой фазы в сужающиеся капиллярные каналы и микропоры за счет оседания на их внутренней поверхности новообразований из кристаллогидратов, и сближением еще непрогидратированных частиц цементного вяжущего и твердых частиц кварцевого наполнителя (рис. 1. в,г). Вязкость в капиллярах возрастает под действием силовых полей твердой фазы. Возрастают и межчастичные взаимодействия, размеры частиц которых определены величиной по диаметру d = 10 мкм и менее 100 мкм.

При высокой интенсивности вибраций частицы грубодисперсной фазы могут сблизиться настолько, что между ними могут образовываться точечные контакты, сила сцепления которых выше, чем через жидкую коагуляционную среду.

Момент времени, соответствующий появлению ионного раствора на поверхности формуемого мелкозернистого бетона, следует считать оптимальным временем, за которое проявляются все силы внутреннего сцепления – адсорбционные, капиллярные и силы трения. Дальнейшее вибропрессующее воздействие может привести к потере одного из факторов сцепления консистенции цементного геля, то есть предельного напряжения сдвига. Это приводит к появлению дислокационных дефектов – потере сплошности как в цементном геле, так и в каркасной структуре мелкозернистого бетона. Для избежания появления дефектных структур в мелкозернистом бетоне необходимо соответствие между внешним вибродавлением и содержанием воды в цементном геле. То есть решить проблему соедиментационной устойчивости высококонцентрированных дисперсных систем в гетерогенных процессах.

Высокая концентрация дисперсной системы должна исключать ее течение в межзерновом пространстве, в связи с повышением плотности грубодисперсной фазы и повышением вязкости дисперсной системы за счет ее уплотнения и изометрии дисперсных частиц.

Роль дисперсных частиц в бетонах на органических битумных и полимерных вяжущих в бетонах на цементном вяжущем идентична - повышение плотности и прочности материала за счет хорошего прилипания к каменным заполнителям. Кварцевое зерно, считающееся кислым материалом, плохо удерживает битумную пленку, в составе которого содержатся отрицательные полярные группы СООН, ОН, NH2, HCl.

Для получения сдвигоустойчивого битумобетона следует повысить тонкость дисперсных наполнителей для повышения плоскостей скольжения и их шероховатости. Этим самым возможно достигнуть повышенные значения модуля деформации, предела прочности, внутреннего трения и зацепления.

Рис. 2. Схема изображения адсорбционно-сольватного слоя битума на минеральном кварцевом порошке (зерне): 1 – адсорбционный слой; 2 – диффузный слой; 3 – радиальные трещины для фильтрации компонентов битума; 4 – дефектные активные точки; 5 – цементная пленка (H2SiO3SiO2+H2OH2O+CaOвяжущее)

Для активации минерального порошка используют поверхностно активные полярные соединения (известь, хлорное, цементное, (рис. 2) полимерные добавки – поливинилхлорид, полистирол или комплексные добавки (полимер + активный дисперсный наполнитель), чтобы снизить сцепление между молекулами битумной жидкости при условии растворения полимера в вяжущем до молекулярного и надмолекулярного уровней. Макромолекулы полимера в среде органического вяжущего склонны к ассоциации и формированию термофлуктуационной пространственной сетки с прочными связями в узлах сетки и их числом. Размер частиц наполнителя должен находиться в пределах 0,1…10 мкм.

Рис. 3. Модель минерального порошка, активируемая тонкодисперсным полистирольным порошком в составе битумного вяжущего: 1 – адгезионный (структурированный) слой битумного вяжущего; 2 – диффузный слой битумного вяжущего; 3 – трещины в кварцевом зерне; 4 – объемная структурная битумного вяжущего; 5 – фрагмент полимерной сетки; 6 – поверхностные дефектные активные точки

Решающее значение для изменения физико-механических свойств композицонных материалов имеют состояние и свойства пограничных слоев на поверхности раздела фаз. В результате образуется структурно-упрочненный слой, обеспечивающий высокую адгезионную прочность на поверхность раздела фаз при незначительной добавки активатора – 2 %, в качестве которого могут выступать активные дефектные точки на поверхности наполнителя (С.Х. Ярлушкина) и наполненное цементное вяжущее (рис. 2,3).

Использование активированного минерального порошка из кварцевого зерна размером 0,3…0,9 мкм, наполненного цементным частицами размерами 0,1…0,05 мкм (рис. 4), может обеспечить хорошую адгезию битума с образованием цементной пленкой на поверхности минерального порошка за счет появляющейся влаги при разложении кремниевой кислоты H2SiO3 и появлением воды, необходимой для гидратации пылевидных цементных частиц на поверхности наполнителя с образованием цементного камня.

Рис. 4. Фрагменты поверхности минерального порошка из кварцевого зерна после помола в шаровой мельнице в течение 1,5 часов: а) в отсутствие тонкодисперсных цементных зерен, х 100000; б) минеральный порошок, наполненный цементными зернами, расположенными между тонкодисперсными кварцевыми зернами, х 25000

На рис. 4а, б представлены микроснимки поверхности тонкодисперсных кварцевых наполнителей, полученных при помоле в шаровой мельнице без добавки цементного вяжущего а) и с добавкой его б), более мелкие зерна которого расположились между кварцевыми частицами в виде наполнителей.

На рис. 4а наполнитель только из кварцевого зерна. Из рисунка видно, что образовались отполированные поверхности наполнителя, сцепление с которыми очень тонкодисперсным частицами из цементного вяжущего затруднительно.

На рис. 4б представлен результат помола кварцевого песка, который проводили совместно с цементным вяжущим. Произошли явные изменения поверхности кварцевых наполнителей, а именно: 1 – исцарапанные поверхности кварцевых зерен; 2 – хаотическое их расположение в смеси; 3 – глубокое межзерновое пространство; 4 – значительная часть этой глубины заполнена тонкодисперсными частицами из цементного вяжущего.

Из этого следует, что раздельное введение цементного вяжущего и наполнителя всегда приводит к пониженным прочностным результатам бетона, чем при совместном их помоле и введении их в состав формуемого бетона.

Адсорбция битума на поверхности зерен кварцевых песков носит физический характер и вызывается слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами притяжения, а слабоадсорбированная молекула битумной пленки легко может быть смещена окружающей влагой.

Кремнеземистые наполнители активны к большинству полиэфирных смол полимерных вяжущих за счет гидроксильных и карбоксильных групп полиэфира. Они способствуют образованию ковалентных и водородных связей в объемной структуре полимера и более прочных связей в надмолекулярных структурах, образующихся вокруг частиц наполнителя. С увеличением объема наполнителя надмолекулярная структура, ориентированная перпендикулярно к поверхности наполнителя, становится преобладающей; в центре данной структуры располагаются плотно упакованные глобулярные структуры. При этом увеличивается адгезия, повышаются жесткость и усадочные напряжения.

Контактные взаимодействия приведенных вяжущих с наполнителями из кварцевых микрочастиц необходимы для повышения структурной прочности бетонов в технологическом процессе получения эффективных композиционных материалов.

В третьей главе рассматриваются технологии получения высоконаполненного высокопрочного мелкозернистого бетона и технологическое поле разночастотного механического воздействия при уплотнении бетонной смеси.

Для повышения плотности структуры был оптимизирован жесткий скелет мелкозернистого бетона из природных кварцевых песков с модулями крупности 2,3 и 1,0, взятых в соотношении 4,1:0,9. Это позволило повысить прочностные свойства композита более, чем в 1,5…1,7 раза (А.с. СССР № 1310362. Бюл. №18, 1987). При совместной работе двух вибровозбудителей вибрационной установки (Пат.2214910 Рос. Фед. Бюлл.№30, 2003г.) создавался совмещенный режим виброколебаний бетонной смеси (табл.1).

Удельное давление пригрузающего устройства при виброформовании бетонной смеси было определено математическим расчетом по разработанной методике.

Первый режим – для плотной объемной упаковки кварцевых зерен заполнителя, второй – для разжижения цементного теста с максимальным заполнением им межзернового пространства и образованием цементной пленки по всей поверхности заполнителя и наполнителя. В связи с различным расходом наполнителя в составах мелкозернистого бетона в технологии его получения проводили корректировку расходов воды затворения и песчаного заполнителя (табл. 1, рис. 5).

Из данных табл. 1 и рис. 5 видно, что наиболее эффективным виброуплотнением следует считать совмещение двух режимов виброуплотнения (разночастотное уплотнение). При таком режиме была получена наиболее максимальная прочность мелкозернистого бетона при сжатии – 94МПа и средняя плотность – 2326кг/м3 в воздушно-сухом состоянии.

Таблица 1

Физико-механические характеристики мелкозернистого песчаного бетона в зависимости от режима виброформования при Руд=0,0131 МПа

Режим виброуплотнения Время виброуп-лотнения, С Физико-механические характеристики
В/В В/Ц Плотности в кг/м3 при наполнении Ц:МН Прочность бетона, МПа Водопоглощение,% Прирост прочности,,%
1:0 1:08 1:3 Rb Rbt
А=1,25мм, f=50Гц 180 0,303 0,546 0,0750* 2135 2270 1920 70 7,3 7,0 0,0
А=0,70мм, f=167Гц 150 0,307 0,552 0,0755* 2175 2302 1970 83 9,5 3,5 18,6
А=1,45мм, f=50Гц А=0,20мм, f=167Гц 120 0,310 0,559 0,0757* 2230 2326 2100 94 11,0 2,8 34,3


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.