2
Содержание
Стр.
Введение 5
Глава 1. Влияние минеральных сырьевых добавок на механические и электрические свойства бетонов. Цель и задачи исследований.
(литературный обзор) 12
1.1 Влияние минеральных добавок на механические и электрические свойства бетонов 19
1.2 Распределение параметров механических и электрических характеристик в бетонных диэлектриках в зависимости от их составов и свойств 22
1.3 Характеристики минеральных добавок для бетонов 26
1.4 Влияние добавок щелочных металлов на физико-технические свойства бетонов 30
1.4.1 Влияние температуры на свойства бетонов 32
1.4.2 Электропроводность бетонных диэлектриков 35
1.5 Теоретические положения пробоя бетонных диэлектриков 37
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Методика исследований механических и электрических свойств бетонов 41
2.1 Методика исследования механических свойств бетонов 41
2.2 Методика определения электропроводности твердых бетонных диэлектриков 44
2.3 Методика определения диэлектрической проницаемости и tg 5 бетонных диэлектриков при частоте 50 Гц 44
2.4 Методика определения диэлектрической проницаемости є и диэлектрических потерь tg 8 в диапазоне частот 103-Н О5 Гц 45
2.5 Методика определения электрических сопротивлений бетонных диэлектриков при постоянном напряжении 46
2.6 Методика определения электрической прочности бетонных диэлектриков при переменном (частота 50 Гц) и постоянном напряжении 47
Выводы по главе 2 48
Глава 3. Исследования механических свойств бетонов 49
3.1 Составы, свойства и характеристики материалов для получения бетонных диэлектриков 49
3.2 Выбор вяжущих и их характеристики для исследуемых бетонных диэлектриков 51
3.3 Механические свойства бетонов 55
3.4 Влияние минеральных добавок на прочностные свойства бетонов
и формирование структуры 61
Выводы по главе 3 69
Глава 4. Исследование электрических свойств бетонов 70
4.1 Теоретические положения построения физико-математической модели бетонных диэлектриков 70
4.2 Влияние контракционного эффекта на электрические свойства бетона 81
4.3 Экспериментальные исследования электропроводности бетонов 85
4.4 Влияние составов и видов бетонов на их электрические свойства 90
4.5 Электрические свойства цементного камня бетона 93
Выводы по главе 4 100
Глава 5. Экспериментальные результаты пробоя бетонных диэлектриков 101
5.1 Тепловой пробой бетонных диэлектриков 101
5.2 Влияние времени при тепловом пробое бетонов 102
5.2.1 Сравнение теоретических и экспериментальных данных
теплового пробоя бетонных диэлектриков 104
5.3 Частотная зависимость электрической прочности диэлектриков
при электрической форме пробоя 106
5.4 Экспериментальные исследования механических и электрических свойств бетонных диэлектриков с применением распределения Вейбулла
5.5 Экспериментальные результаты пробоя бетонных диэлектриков
5.6 Результаты регрессионного анализа экспериментальных исследований механических и электрических свойств бетонных диэлектриков на основе композиционного вяжущего
5.7 Электрический пробой бетонных диэлектриков
Выводы по главе 5
Общие выводы Список литературы Приложения
5
ВВЕДЕНИЕ
Современное строительство направлено на повышение эффективности производства, снижения стоимости и трудоемкости работ, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, а также
применения новых композиционных материалов с использованием отходов топливно-энергетических комплексов и природных минеральных добавок. Одним из перспективных конструкционных материалов является бетон, благодаря которому осуществляется большой объем строительно-монтажных работ. Бетоны имеют в своей структуре неиндифферентные к внешней среде компоненты: клинкерные, шлаковые, зольные, которые являются резервными источниками гидратационного структурообразования и поддерживающие физико-технические свойства в различных средах. За рубежом в
строительстве при изготовлении бетонов используют золошлаковые отходы (ЗШО) до 85 % от их выхода, в России - всего лишь 7+9 %. Для решения проблемы использования золошлаковых отходов ТЭК при изготовлении бетонов необходим комплексный подход:
создание бетонов (составов, структуры) на основе ЗШО ТЭС и
промпредприятий, используемых в качестве заполнителей и части вяжущего вещества;
создание мелкозернистых бетонов на основе вяжущею низкой
водопотребности (ВНВ) с использованием высококальциевых ЗШО ТЭС;
комплексная переработка ЗШО, что снизит потребление природных ресурсов (щебеня, гравия, песка) и керамзита в качестве заполнителей в бетоны.
Требования предъявляемые к конструкционным бетонам в качестве диэлектрических материалов
Бетон представляет собой композиционный материал, получаемый в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего, заполнителя, воды и добавок, взятых в определенных пропорциях.
В качестве вяжущего вещества используют портландцемент, полимерцемент и жидкое стекло. Заполнителями для бетонов являются природные каменные и искусственные материалы. Заполнители и минеральные добавки уменьшают деформации бетона при твердении и снижаю!' расход цемента до 25 %, что снижает стоимость. Цемент и вода являются активными составляющими бетона, в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителя в единый монолит. На физико-технические свойства бетона влияет зерновой состав, прочность и чистота заполнителей. Природный песок характеризуют модулем крупности и полным остатком на сите № 063 (процент по массе). Расчет подбора состава бетона производят по методу абсолютных объемов, далее переходят к весовым значениям путем умножения числовых значений абсолютных объемов каждого компонента на числовые значения их плотности. Бетонам можно задавать определенные наперед заданные прочностные, деформативные и физические свойства.
Актуальность темы:
Бетоны по изменению своих физико-механических и электрических характеристик являются наиболее стойкими твердыми неорганическими диэлектриками. Бетоны стойки к воздействию внешних силовых факторов, повышенных температур (до 170°С) и низких (до -60°С). Сочетание свойств неорганической изоляции при воздействии электрического напряжения свыше 1 кВ позволяет рекомендовать тяжёлые бетоны и на их основе изделия для строительства объектов электроэнергетики.
Твердые неорганические диэлектрики - бетоны, приготовленные на основе КВ, с введенными в его состав минеральными сырьевыми добавками (отходы топливно-энергетических комплексов) обладают достаточно высокими показателями механической и электрической прочности, в предезтх допустимых значений, являются наиболее технологичным материалом.
В связи с экономным использованием топливно-энергетических ресурсов повышаются требования к механическим и электрическим характеристикам бетонов. Одним из энергоемких составляющих компонентов бетонов является цемент. На решение этих проблем направлены задачи по снижению стоимости изготовляемых бетонов за счет использования в их составах местных минеральных сырьевых материалов: отходов топливно-энергетических комплексов (золошлаковые отходы (ЗШО), золы-уноса) и природных минеральных сырьевых материалов -цеолитсодержащих пород.
Существует тенденция к более широкому использованию бетонов в энергетическом строительстве. Применяемые бетоны должны сохранять работоспособность после воздействия на них рабочих или случайных высоких напряжений и при повышенных температурах до 170°С и низких до -60°С. Бетоны, приготовленные на основе композиционного вяжущего (КВ) с минеральными сырьевыми добавками и эксплуатируемые в области как слабых, так и сильных полей напряжения мало изучены.
Использование природных сырьевых материалов и вторичных отходов топливно-энергетических комплексов Амурской области должно привести к снижению стоимости строительства и решить проблемы экологии и утилизации этих вторичных отходов. Поэтому задача проводимых исследований является актуальной и с точки зрения технологии бетонов как композиционных материалов, так и решения проблем экологии окружающей среды. Исходя из вышесказанного
Целью работы являлось исследование составов и свойств бетонов различных видов и составов, приготовленных на основе КВ с использованием местных сырьевых материалов (ЗШО, золы-уноса и цеолитсодержащих пород природного происхождения Куликовского месторождения Амурской области) и получение экспериментальных данных о механической и электрической прочности бетонов.
В соответствии с поставленной целью было необходимо:
8
• разработать методику приготовления бетонных образцов на основе КВ с использованием сырьевых добавок: ЗШО, золы-уноса и природных минеральных добавок (цеолитсодержащие породы);
• разработать методики исследования механических и электрических свойств бетонов;
• исследовать зависимость механических свойств бетонов различных видов и составов от содержания сырьевых добавок;
• исследовать электрические свойства бетонов от содержания минеральных добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолитов) и установить зависимости от механических характеристик.
• исследовать электрические процессы (электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление), протекающие в бетонах, приготовленных на основе КВ с минеральными добавками (МД).
Объекты исследования:
Исследовались тяжелые (мелкозернистые) и легкие бетоны (керамзитобетон) классов В20 и В 12,5 с использованием вышеперечисленных добавок из местного сырья Амурской области.
Научная новизна:
• выявлена возможность использования минерального сырья природного происхождения и вторичных сырьевых ресурсов (отходы топливно-энергетического комплекса) Амурской области для различных видов бетонов;
• показана возможность применения бетонов, приготовленных на основе КВ с использованием ЗШО, золы-уноса и цеолитсодержащих пород природного происхождения без заметного снижения их механических показателей и электрических характеристик, что позволило рекомендовать их к применению в технологии ООО Амурский завод железобетонных конструкций для изготовления бетонных изделий для энергетического строительства и другого назначения.
Положения выносимые на защиту:
на основании обработки экспериментальных результатов получены регрессионные уравнения, связывающие:
• нормальную густоту КВ (К]), пределы прочности на сжатие бетонных образцов после твердения при тепловлажностной обработке (ТВО) (Г2) и в естественных условиях (У3), удельное электрическое сопротивление (У4) и электрическую прочность (У5) бетонов которые позволяют регулировать этих характеристики в допустимых пределах в зависимости от удельной поверхности портладцемента (А^), вводимых минеральных добавок (ЛГ2) и содержания заполнителей (Х3);
статистика электрического пробоя бетонных диэлектриков носит многопараметрический характер и наилучшим образом описывается статистикой Вейбулла:
• из полученных интегральных кривых распределения для Епр и Ясж исследуемых бетонов на основе КВ установлена значимая на уровне 1,9 линейная зависимость между механическими и электрическими характеристиками.
Практическая значимость работы:
• полученные результаты комплексных исследований позволяют решить проблему использования вторичного сырья (12-48%) топливно-энергетического комплекса и применения минеральных сырьевых добавок природного происхождения (цеолитсодержащих пород Куликовского месторождения Амурской области) в получении эффективных и недорогих бетонов с улучшенными физико-техническими и электрическими свойствами;
• разработаны рекомендации по использованию минеральных сырьевых добавок в бетоны и переданы ООО Амурский завод железобетонных конструкций для освоения в производстве. (Акт о внедрении экспериментальной технологии для производства бетонов с минеральными
10
добавками (ЗШО, золы-уноса и цеолитсодержащих пород) из местного сырья Амурской области для изделий и конструкций от 11 октября 2005 г.)
• результаты исследований позволяют получать новые температуростойкие бетоны на основе КВ с минеральными сырьевыми добавками и на их основе изделия различной номенклатуры для энергетического строительства.
Диссертационная работа автора связана с научно-исследовательской темой № 18 “Строительство” по разделу 18.1 “Применение эффективных электропроводных и электроизоляционных бетонов в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений”.
Апробация результатов исследований:
Результаты проведённых исследований докладывались на: ежегодных научно-технических конференцях в Амурском государственном университете (АмГУ) «Архитектура и строительство в регионах Сибири и Дальнего Востока» (г. Благовещенск, 1999-2006 гг.); межвузовских научно-технических конференциях «Строительство и природообустройство» (ДальГАУ, г. Благовещенск, 1999-2006 гг.), научных конференциях в Амурском государственном университете (г. Благовещенск, 2003-2006 гг.).
По результатам исследований опубликовано 20 печатных работ.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложений, рекомендации производству и списка используемой литературы, включающего 173 наименований. Основная часть работы изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 41 рисунков.
Работа выполнялась на кафедре «АСиМ» и «Математического анализа и моделирования» Амурского государственного университета (АмГУ) под руководством профессора, доктора технических наук, заслуженного изобретателя РФ Н.С. Костюкова, которого диссертант благодарит за руководство.
11
Физико-технические испытания образцов проводились в лабораториях кафедры «ИК» и ТиОСП ДальГАУ и «Благовещенскстрой». Электронномикроскопические и дифференциально-термические исследования проводились в лабораториях г. Благовещенска. Рентгенографические и химико-минер&чогические исследования, а также исследования, электропроводности проводились в лабораториях НЦ ДВО РАН АмурКНИИ, ООО «Амурстрой», ООО Амурский завод железобетонных конструкций, ФАО «ЦЭС» Амурэнерго.
Диссертант благодарен доктору технических наук, профессору Е.Л. Еремину, доктору физ.-мат. наук, профессору Е.С. Астаповой, канд. физ.-мат. наук В.В. Сельвинскому, канд. техн. наук Т.В. Труфановой, канд. физ.-мат. наук ДемчукуВ.А., а также Т.Н. Блинову, Ю.А. Брежневу за помощь и консультации в проведении исследований.
12
ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ СЫРЬЕВЫХ ДОБАВОК НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
Актуальной научно-технической проблемой в капитальном строительстве на современном этапе является решение задачи эффективного использования природных ресурсов, в том числе бетонов различных видов и составов. В настоящее время в действующих нормах (СНиП, ГОСТы) существует неразрешенное противоречие между детерменизмом расчетного аппарата и статистически-вероятностной природой расчетных параметров строительных материалов и конструкций. Следствием этого противоречия является эмпирическая неопределенность между расчетными, физикомеханическими и другими параметрами полученных материалов и конструкций, а также параметрами, определяющих их предельное состояние.
Решение данной задачи обусловило изучение влияния совокупности механических и электрических характеристик исходных материалов на расчетные характеристики конструкций, являющихся системой случайных изменчивых величин.
В теории предельных состояний и нормах (СНиП) отсутствует параметр времени, что с формализованной точки зрения означает постоянство физико-механических свойств материалов и конструкций во времени. Отсюда следует, что физическое состояние строительных конструкций определяется только в данный момент времени. В настоящее время остается недостаточно изучен вопрос ресурса эксплуатации конструкций во времени.
Определения в аналитической форме искомых параметров, зависимых от большого числа факторов, затруднительно. Поэтому, при исследовании бетона под нагрузкой (механической, тепловой, электрической) используют упрощенные модели двухкомионентных систем; так, в расчетной физической
13
модели “макроуровня” основным элементом является система “растворная составляющая - крупный заполнитель”, в модели “микроуровня” - система “новообразования - цементные ядра” (микробетон), и в модели “мезоуровня” - система “цементный камень - мелкий заполнитель (песок)”. В рассматриваемых физических моделях зерна заполнителя принимают в виде шаров и дисков. Также полагают, что до образования микротрещин в бетоне сцепление цементного камня с заполнителем не нарушается.
Бетон под воздействием внешних сил находится в сложном напряженном состоянии, и разрушение его наступает при достижении в сечениях расчетных усилий критических значений, то есть с физической стороны - происходит разрыв связей между цементным камнем и заполнителем.
Элементы структуры тяжелых бетонов
В бетоне выделяют три структурных элемента: цементный камень, заполнитель и контактный слой между ними. Цементный камень, является минеральным клеем, скрепляющим зерна заполнителя, должен обладать достаточной собственной прочностью и иметь надежное сцепление с зернами заполнителя. При гидратации белита и алита - важных фаз портландцементиого клинкера, реакция протекает по схеме:
2Са£Ю5 + 6Н20 = CaiShOn • 3Н20 + 3Са(ОН)2 (1.1)
Продукт реакции в виде гидросиликатов общей формулы хСаО • Si02 • уН20 с переменным молярным отношением имеет вид:
х = CaO / Si02 и у = Н20 ! Si02. (1.2)
По данным дифференциально-термического и рентгенографического анализа Г.И. Горчаковым и другими показано, что гидросиликаты группы CSH (I) обладают пористой структурой, которая оказывает влияние на механические свойства, проницаемость и морозостойкость цементного камня [55, 137].
о
Толщина каждого структурного слоя около \0А [3,4, 38, 39].
14
Для изучения феноменологической природы важнейших параметров цементного камня, являющегося основой любых видов бетонов, рассматривают механизм кинетики и скорость химических реакций гидратации основных минералов портландцементного клинкера, а также кинетику формирования физической структуры цементного камня.
Физико-механические свойства затвердевшего цементного камня зависят от основных составляющих его кристаллогидратов, формы и размеров кристаллов, размера и количества пор, степени гидратации минералов цементного клинкера. Структура цементного камня имеет дефекты, оказывающие существенное влияние на свойства бетонов. Исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено, что бетоны относят к твердым телам со структурно-чувствительными свойствами, влияющими на прочностные и термодинамические характеристики (электропроводимость, теплопроводимость и др.), процессы диффузии, рост кристаллов [1-3,7,11,38,39]. Поверхностные слои кристаллов минералов C^S, C3S, С3А, C4AF и твердые растворы электролитов (цементный гель) содержат различные классы дефектов. Дефекты структуры цементного камня можно классифицировать по геометрическим признакам, то есть по числу их изменений в рассматриваемой решетке [20,21, 24,39,40,48, 69,159, 165,171]. Структура решетки основных кристаллогидратов цементного камня представляют собой комбинированные структуры, в которых одна кристаллическая гранецентрированная решетка помещается внутри другой. Такой структурой является структура кристалла каменной соли NaCI, по типу которой кристаллизуется СаО и MgO.
В структуре решетки цементного камня выделяют четыре класса дефектов: точечные, линейные, поверхностные и объемные. Наиболее распространенными дефектами кристаллической структуры цементного камня являются линейные и поверхностные.
В настоящей работе данная проблема рассматривается с учетом комплексного подхода с позиции физики конденсированного состояния.
15
При исследовании процессов твердения вяжущих систем имеются затруднения по методологическим причинам, то есть когда недостаточно корректно применяют законы и правила моделирования, а также используют не тождественные методики и не достаточно правильно обобщают результаты. Отсюда, экспериментальные данные часто вступают в противоречия с законами подобия. Механизм образования связей между кристаллами новообразований цементного камня зависит от свойств цементной системы и условий твердения, при которых они взаимодействуют с водой. Взаимодействие проходит одновременно при прямом присоединении воды к твердой фазе.
В работе [162] принят новый методологический подход и рационально составленные комплексы методов научного исследования, которые позволяют объединить оба учения (о кинетики реакций и полиструктурной теории) как частные случаи единого учения на позициях четвертого измерения, так как многие системы вяжущее-вода в зависимости от времени процесса и условий твердения имеют общую термодинамически временную закономерность, что справедливо и для систем глина-вода и цемент-вода. Основываясь на новом методологическом принципе и применяя комплексы электрохимических и электродинамических методов, можно разделить все виды вяжущих материалов по условиям твердения с учетом термодинамически временной закономерности на три группы: гидратациоиного твердения, дегидратационного (десорбционного) твердения промежуточного типа, или гидратационно-дегидратационного твердения.
Решение актуальных задач современного состояния в области строительного материаловедения направлены на прогнозирование механических, теплофизических, электрических и других важных характеристик бетонов с заранее заданными, в некоторых пределах, свойствами. Бетон, являясь композиционным материалом, даёт возможность экспериментально варьировать свойствами в зависимости от составов и структуры, а также области их применения.
16
Так, предложенная В. Д. Глуховским общая теория конденсации дисперсных минеральных систем, является основой для создания недорогих и эффективных бетонов различного назначения, полученных на основе КВ, введённых в его состав отходов топливно-энергетических комплексов -ЗШО, зола-уноса Благовещенской ТЭЦ, а также природной минеральной добавки -цеолитсодержащих пород Куликовского месторождения Амурской области [33,34]. Использование научных методов механики разрушения позволит получать бетоны с надёжными эксплуатационными механическими характеристиками, от которых зависит электрическая прочность и другие важные показатели (теплофизические).
Факторы, влияющие на механическую прочность бетонов
На механические характеристики бетонов оказывают влияние вид цемента, его активность (Яц), расход (Ц), водоцементное отношение бетонной смеси (В/Ц), условия твердения (нормальное или подвергнутые тепловлажностной обработке ТВО) и наличие в их составах добавок (сырьевых и модифицирующих). Исследованиями отечественных учёных
A.Е. Шейкина, И.Н. Ахвердова, A.A. Комара, Ю.М. Баженова,
B.Г. Батракова, A.B. Волженского, A.A. Гвоздева, В.И. Карпенко, О.Я. Берга,
C.В. Александровского, А.Ф. Бернацкого, Г.А. Пугачёва и других установлено, что механическая прочность бетонов зависит от состава компонентов, вида цемента и наличия сырьевых и химических добавок [1-7, 9-11, 24, 25, 30, 33,34, 63-70]. Бетоны полученные на основе композиционного вяжущего (КВ), содержащие ЗШО и золу-уноса позволяют увеличить зоны пластических деформаций в устье развивающейся микротрещины за счёт возрастания объёма низкоосновных гелевидных гидросиликатов кальция и повышения вязкости разрушения цементного камня [5, 6, 8,15,19,21,29, 33,34, 66, 86,90, 142, 166].
Полученные данные методами механики разрушения для бетонов, приготовленных на основе КВ с добавками ЗШО и золы-уноса в
- Київ+380960830922