Высокопрочный тяжелый бетон для монолитного строительства

1.

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Российской Федерации
Российский университет транспорта
(РУТ (МИИТ)
Институт/факультет: «Институт пути, строительства и сооружений»
Кафедра «Строительные материалы и технологии»
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
на тему «Высокопрочный тяжелый бетон для монолитного строительства»
Обучающийся:
Научный руководитель:
Москва
2023

2.

Актуальность темы исследования.
В современном строительстве существует постоянная потребность в высокопрочных материалах, способных
обеспечить надежность и долговечность сооружений. Такой материал, как высокопрочный тяжелый бетон, приобретает
все большую актуальность в монолитном строительстве. Он позволяет создавать конструкции с высокой несущей
способностью, устойчивыми к нагрузкам и экстремальным условиям эксплуатации.
Степень разработанности темы исследований.
Тема высокопрочного тяжелого бетона имеет определенную степень разработанности, однако существует
потребность в дальнейшем изучении и оптимизации его свойств для обеспечения еще более высокой прочности и
улучшения других характеристик. Многие исследования в этой области были проведены, но еще не все аспекты были
полностью исследованы и реализованы на практике.
Объект исследования.
Объектом исследования является высокопрочный тяжелый бетон, используемый в монолитном строительстве.
Исследование направлено на изучение его свойств, определение оптимальных составов и технологий производства, а
также оптимизацию процессов укладки и твердения.
Предмет исследования.
Предметом исследования являются свойства высокопрочного тяжелого бетона, его компоненты и взаимодействие
между ними. Особое внимание уделяется прочностным характеристикам, водонепроницаемости, морозостойкости и
другим физико-механическим свойствам материала.
2

3.

Цель диссертационного исследования.
Целью данной диссертационной работы является разработка и оптимизация высокопрочного тяжелого бетона для
монолитного строительства, с учетом требований прочности, устойчивости к нагрузкам и эксплуатационным условиям.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Изучение литературы и анализ существующих исследований по высокопрочному тяжелому бетону, его компонентам и
технологиям производства.
2. Определение оптимальных составов бетонных смесей, включающих различные добавки и модификаторы, для
достижения высокой прочности и улучшенных характеристик материала.
3. Исследование физико-механических свойств высокопрочного тяжелого бетона, включая прочность,
водонепроницаемость и морозостойкость.
4. Оптимизация процессов укладки и твердения высокопрочного тяжелого бетона, с целью обеспечения высокой
качественной укладки и достижения требуемых прочностных показателей.
5. Оценка экономической эффективности использования высокопрочного тяжелого бетона в монолитном строительстве,
с учетом сокращения затрат на материалы и повышения долговечности сооружений.
Методы исследований.
В ходе исследования будут использованы различные методы, включая лабораторные испытания, анализ материалов,
статистическую обработку данных, моделирование процессов твердения и другие методы с целью получения
объективных и достоверных результатов.
Научная гипотеза.
Научная гипотеза данной работы заключается в том, что оптимизация состава и технологии производства
высокопрочного тяжелого бетона позволит достичь высоких прочностных показателей и улучшенных свойств материала,
обеспечивая надежность и долговечность сооружений.
3

4.

Научная новизна.
Научная новизна исследования заключается в разработке и оптимизации высокопрочного тяжелого бетона для монолитного строительства, а
также в выявлении оптимальных составов и технологий производства, способствующих достижению требуемых характеристик материала.
Практическая значимость работы.
Результаты данного исследования могут быть использованы в практике строительства для создания прочных и устойчивых сооружений.
Примеры применения высокопрочного тяжелого бетона включают строительство мостов, дамб, высотных зданий, железнодорожных и
автомобильных тоннелей, а также других объектов, где требуется высокая несущая способность и устойчивость к нагрузкам.
Положения, выносимые на защиту.
В результате исследования предполагается вынести на защиту следующие положения:
1. Оптимизация состава высокопрочного тяжелого бетона позволяет достичь требуемых прочностных показателей и улучшенных свойств
материала.
2. Применение определенных добавок и модификаторов способствует повышению прочности, водонепроницаемости и морозостойкости
высокопрочного тяжелого бетона.
3. Оптимизация технологии производства и процессов укладки и твердения высокопрочного тяжелого бетона позволяет обеспечить высокую
качественную укладку и достижение требуемых свойств материала.
4. Применение высокопрочного тяжелого бетона в монолитном строительстве обеспечивает надежность, устойчивость к нагрузкам и
долговечность сооружений.
Достоверность проводимых исследований.
Достоверность проводимых исследований обеспечивается использованием надежных и проверенных методов, строгой лабораторной
практикой, анализом полученных данных и сопоставлением с результатами предыдущих исследований. Все эксперименты и испытания будут
проведены в соответствии с установленными стандартами и протоколами.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора в данное исследование заключается в проведении лабораторных испытаний, анализе полученных данных, разработке
оптимальных составов и технологий производства высокопрочного тяжелого бетона, а также в написании диссертационной работы в целом.
Структура и объем диссертации.
Магистерская диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы. Работа изложена на 112 стр., содержит 17 рисунков
и 18 таблиц. Список литературы включает 50 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
4

5.

Теоретические особенности исследования свойств современного бетона
Проектировании бетонной смеси
Понятие и характеристика бетона
Понятие
Бетон
Состав
Прочность
Долговечность
Пластичность
Твердость
Пористость
Устойчивость к агрессивным
средам
Теплоизоляция
Экологическая устойчивость
Плотность
Водонепроницаемость
Огнестойкость
Газонепроницаемость
Эластичность
Адгезия
Цвет
Стойкость к заморозке и
оттаиванию
Экономическая
Характеристики
Строительный материал, состоящий из связующего
вещества (цемента, извести, глины) и заполнителя (песок,
щебень, керамзит)
Цемент, заполнитель, вода, добавки
Сопротивление бетона разрушению под воздействием
нагрузки
Способность бетона сохранять свои характеристики и
прочность в течение длительного времени
Способность бетонной смеси быть подвижной и легко
формируемой
Сопротивление бетона деформации и износу
Процентное соотношение порового пространства к общему
объему бетона
Сопротивление бетона химическим воздействиям, таким
как агрессивные растворы, соли, морская вода и т.д.
Способность бетона сопротивляться передаче тепла
Учет воздействия бетона на окружающую среду в процессе
производства и использования
Масса бетона на единицу объема
Способность бетона не пропускать воду
Способность бетона сохранять прочность и структуру при
воздействии высоких температур
Способность бетона не пропускать газы
Способность бетона подвергаться упругим деформациям
без разрушения
Способность бетона прочно сцепляться с другими
материалами, например, с арматурой
Бетон может иметь различные оттенки и цвета, в
зависимости от применяемых добавок и пигментов
Способность бетона переносить циклические процессы
замораживания и оттаивания без разрушения
Учет стоимости материалов, производства и срока службы
1. Расчет прочности бетона по прочности на сжатие:
P
fc сж ,
A
где f c - прочность бетона на сжатие, Pсж - сила сжатия, A - площадь сечения.
2. Расчет прочности бетона по прочности на растяжение:
P
f t рас ,
A
где f t - прочность бетона на растяжение, Pрас - сила растяжения, A - площадь сечения.
3. Расчет объема пористости:
P
Vp
100,
Vt
где P - объем пористости в процентах, Vp - объем порового пространства, Vt - общий
объем материала.
4. Расчет относительной плотности:
D
Dr a 100,
Dss
где Dr - относительная плотность в процентах, Da - плотность материала, Dss плотность полностью плотного материала.
5. Расчет водоцементного числа:
W
W /C ,
C
где W/C - водоцементное число, W - масса воды, C - масса цемента.
6. Расчет объемного содержания воздуха:
V
Va v 100,
Vt
где Va - объемное содержание воздуха в процентах, Vv - объем воздушных пузырьков, Vt
- общий объем материала.
7. Расчет массы цемента:
M c Vt c ,
где M c - масса цемента, Vt - общий объем материала, c - плотность цемента.
8. Расчет массы воды:
M w W w ,
где M w - масса воды, W - масса воды, w - плотность воды.
9. Расчет массы заполнителей:
M f Vt f ,
где M f - масса заполнителей, Vt - общий объем материала, f - плотность заполнителей.
10. Расчет объема смеси:
Vm Vt Va Vv ,
где Vm - объем смеси, Vt - общий объем материала, Va - объем воздуха, Vv - объем
воздушных пузырьков.
5

6.

Теоретические особенности исследования свойств современного бетона
Описание основных свойств тяжелого бетона
Свойство
Описание
Влияние внешней среды на бетон
Параметры внешней среды
Воздействие агрессивных
химических веществ (соли,
кислоты, щелочи и др.)
Высокие и низкие температуры
Воздействие морской воды и
солевого аэрозоля
Воздействие циклических
нагрузок
Ультрафиолетовое излучение
Повышенная влажность и
воздушная влага
Воздействие агрессивных газов
(сернистый газ, аммиак и др.)
Сейсмическая активность
Влияние на бетон
Коррозия арматуры,
разрушение структуры
бетона, потеря прочности
Деформации, трещины,
морозоустойчивость,
ускоренное старение
Коррозия арматуры,
разрушение бетона, потеря
прочности
Усталостные повреждения,
трещины, разрушение
структуры
Деградация поверхности,
потеря эстетического вида
Появление плесени,
разрушение бетона,
коррозия арматуры
Коррозия арматуры,
разрушение бетона, потеря
прочности
Деформации, трещины,
разрушение конструкции
Высокая плотность тяжелого бетона обеспечивает большую
Плотность
массу и инертность, что полезно для защиты от радиации и
звука.
Тяжелый бетон имеет высокую прочность, что позволяет ему
Прочность
выдерживать большие нагрузки и давления.
Благодаря своей плотной структуре, тяжелый бетон обладает
Изоляция
хорошими изоляционными свойствами, что позволяет сохранять
тепло и звук.
Тяжелый бетон обладает высокой огнестойкостью, что делает
Стойкость к огню
его надежным материалом для конструкций, требующих
высокой пожарной безопасности.
Стойкость к
Тяжелый бетон имеет хорошую стойкость к агрессивным
химическому
химическим средам, что делает его подходящим для
воздействию
использования в химической и ядерной промышленности.
Тяжелый бетон обладает хорошими звукоизоляционными
Акустические
свойствами, позволяющими снизить уровень шума внутри и
свойства
снаружи здания.
Тяжелый бетон обладает низкой теплопроводностью, что
Теплоизоляцион
позволяет сохранять комфортные температурные условия
ные свойства
внутри помещений.
Устойчивость к
Тяжелый бетон может обладать повышенной устойчивостью к
сейсмическим
сейсмическим нагрузкам, что является важным для зданий в
нагрузкам
сейсмически активных зонах.
Тяжелый бетон может иметь различные текстуры и оттенки, что
Эстетический вид
позволяет создавать эстетически привлекательные
архитектурные решения.
6

7.

Теоретические особенности исследования свойств современного бетона
Классификация тяжелого бетона
7

8.

Теоретические особенности исследования свойств современного бетона
8

9.

Перспективные направления по улучшения характеристик тяжелого бетона для промышленного и гражданского
строительства на основе комплексных добавок
График набора прочности бетона
Зависимость Rсж (МПа) от времени набора прочности
(сутки) при различных температурах тепловой обработки
(бетон Б22,5П4)
Твердение бетона с высоким и низким водоцементным отношением
9

10.

Перспективные направления по улучшения характеристик тяжелого бетона для промышленного и гражданского
строительства на основе комплексных добавок
Тепловой поток гидратации цемента ПЦ 500 №1 с
добавками-ускорителями
Интегральный график суммарного тепловыделения цемента ПЦ 500 №1 с
добавками - ускорителями
Темп набора прочности бетона, модифицированного добавкой Кратасол, в
Темп набора прочности немодифицированного бетона в зависимости от
зависимости от содержания высокодисперсного доменного гранулированного шлака
содержания высокодисперсного доменного гранулированного шлака в
в цементе и условий твердения (НУ – нормальные условия, ТВО –
цементе и условии твердения (НУ – нормальные условия, ТВО –
тепловлажностная обработка)
тепловлажностная обработка)
10

11.

Перспективные направления по улучшения характеристик тяжелого бетона для промышленного и гражданского
строительства на основе комплексных добавок
Описание образцов
Состав
Алексеевский ПЦ 400 Д20
Состав бетона 1:1,02:2,17 0,56
Расход цемента 552 кг/м3
Без добавки
С добавкой
Ускоряющая добавка, с содержанием хлористых солей, ацетата
натрия и нитрита натрия (УПД) УПД-1
УПД-2
УПД-3
УПД-5
Ускоряюще-пластифицирующая добавка УПЛ
Добавка из солевых нитритно-нитратных паст ННН
Сорбозосодержащий сульфат натрия ССН
Хлорид кальция + Хлорид натрия CaCl2+NaCl
Ацетат кальция Са(СН3СОО)2
Раствор соли CН3COONa
Формиат кальция Са(HСОО)2
Ульяновский ПЦ 400 Д20
Состав бетона 1:0,89:2,24 0,54
Расход цемента 528 кг/м3
Без добавки
С добавкой
Содержание добавки, % от массы цемента
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
0,5+1
1,5
1,5
1,5
-
Ускоряющая добавка, с содержанием хлористых солей, ацетата
натрия и нитрита натрия (УПД) УПД-1
УПД-2
УПД-3
УПД-5
Ускоряюще-пластифицирующая добавка УПЛ
Добавка из солевых нитритно-нитратных паст ННН
Сорбозосодержащий сульфат натрия ССН
Хлорид кальция + Хлорид натрия CaCl2+NaCl
Ацетат кальция Са(СН3СОО)2
Раствор соли CН3COONa
Формиат кальция Са(HСОО)2
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
0,5+1
1,5
1,5
1,5
11

12.

Основные направления создания облегченных железобетонных конструкций при использовании тяжелого бетона
а
б
в
г
б
д
е
ж
з
Технологии применения полимерных вкладышей: а – Airdeck; б –
BubbleDeck; в – Nautilus; г – Cobiax; д – Beeplate; е – U-Boot Beton; ж – UBahn Beton; з – Donut Type
а
а
в
Конструкция арматурных модулей по технологии Cobiax: а –вкладыши; б –
размещение вкладышей в арматурном модуле; в - расстановка арматурных
модулей
б
Форма вкладышей по технологии BubbleDeck: а – сферической формы;
б – эллиптической формы
Особенности конструкции перекрытий по технологии U-Boot Beton: а - вид
вкладыша в плане; б - вид вкладыша в поперечном сечении; в - объединение
12
вкладышей муфтами; г - перекрытия с вкладышами

13.

Основные направления создания облегченных железобетонных конструкций при использовании тяжелого бетона
Основные технико-экономические показатели конструкций перекрытий
Название технологии
Airdeck
BubbleDeck
Cobiax Slim-Line
Cobiax Eco-Line
U-Boot Beton
Высота или
диаметр
вкладыша, см
12-35
18-50
10-26
27-45
16-48
Толщина
перекрытия, cм
22-50
23-60
20-40
40-60
22-66
Шаг вкладышей,
см
Количество
Объем вкладышей,
2
вкладышей, шт/м
м3/м2
30
20-40
35
30-50
64
11
6,2-25,3
8,8
2,9-11,2
2,44
0,045-0,145
0,076-0,153
0,056-0,135
0,115-0,191
0,051-0,259
Приведенная толщина
перекрытия в % от
конструктивной
68,44-79,55
66,00-66,96
66,25-72,00
68,17-71,25
58,57-76,62
Особенности конструкции облегченных перекрытий
Bubble
Показатель
Airdeck
Смена шага вкладышей
Смена
размера
вкладышей
(высота/площадь)
Изменение толщины ребра
Изменение толщины обшивок
Изменение армирования ребер
Фиксирование вкладыша в арматурном
каркасе
Дополнительная арматура для фиксации
вкладыша
Армирование
всего
перекрытия
изделиями
Армирование перекрытия отдельными
арматурными блоками
-
Deck
+-
+/-
Cobiax Slim-Line Cobiax Eco-Line U-Boot Beton
Nautilus
Beeplate
Donut Type
-
+-
+-
+-
+
+
+/+
+/-
+/+
+/-
+/-
+/+
+/+
++-
+++-
++-
+++-
+
+
+
+
+
+
+
++-
+
++-
-
+
+
+
+-
+-
+-
+
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
+
+
+
+
-
-
+
+
-
-
-
-
13

14.

Оценка результатов применения комплексных добавок в современных тяжелого бетонах
Отличия от нормативных прочностных показателей на 7-е сутки
Состав
Алексеевский ПЦ 400 Д20
Состав бетона 1:1,02:2,17 0,56
Расход цемента 552 кг/м3
Без добавки
Ускоряющая добавка, с содержанием хлористых солей, ацетата
натрия и нитрита натрия (УПД) УПД-1
УПД-2
УПД-3
УПД-5
Ускоряюще-пластифицирующая добавка УПЛ
С добавкой
Добавка из солевых нитритно-нитратных паст ННН
Сорбозосодержащий сульфат натрия ССН
Хлорид кальция + Хлорид натрия CaCl2+NaCl
Ацетат кальция Са(СН3СОО)2
Раствор соли CН3COONa
Формиат кальция Са(HСОО)2
Ульяновский ПЦ 400 Д20
Состав бетона 1:0,89:2,24 0,54
Расход цемента 528 кг/м3
Без добавки
Ускоряющая добавка, с содержанием хлористых солей, ацетата
натрия и нитрита натрия (УПД) УПД-1
УПД-2
УПД-3
УПД-5
Ускоряюще-пластифицирующая добавка УПЛ
С добавкой
Добавка из солевых нитритно-нитратных паст ННН
Сорбозосодержащий сульфат натрия ССН
Ускоритель твердения бетонов (УТБ)
Хлорид кальция + Хлорид натрия CaCl2+NaCl
Ацетат кальция Са(СН3СОО)2
Раствор соли CН3COONa
Формиат кальция Са(HСОО)2
Содержание
добавки, % от массы
цемента
Прочность на 7-е сутки, МПа
Разность, МПа
без добавки
с добавкой
-
39,2
41,8
2,6
1,5
39,2
50,1
10,9
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
0,5+1
1,5
1,5
1,5
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
48,8
47,0
47,3
45,0
43,0
46,0
49,1
44,1
43,4
45,0
9,6
7,8
8,1
5,8
3,8
6,8
9,9
4,9
4,2
5,8
-
39,2
38,5
-0,7
1,5
39,2
46,5
7,3
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
0,5+1
1,5
1,5
1,5
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
46,2
45,2
44,1
43,6
41,8
42,7
42,0
42,0
44,2
41,1
39,5
7
6
4,9
4,4
2,6
3,5
2,8
2,8
5
1,9
0,3
14

15.

Оценка результатов применения комплексных добавок в современных тяжелого бетонах
Отличия от нормативных прочностных показателей на 28-е сутки
Состав
Алексеевский ПЦ 400 Д20
Состав бетона 1:1,02:2,17 0,56
Расход цемента 552 кг/м3
Без добавки
С добавкой
Ускоряющая добавка, с содержанием хлористых солей, ацетата натрия и нитрита натрия
(УПД) УПД-1
УПД-2
УПД-3
УПД-5
Ускоряюще-пластифицирующая добавка УПЛ
Добавка из солевых нитритно-нитратных паст ННН
Сорбозосодержащий сульфат натрия ССН
Хлорид кальция + Хлорид натрия CaCl2+NaCl
Ацетат кальция Са(СН3СОО)2
Раствор соли CН3COONa
Формиат кальция Са(HСОО)2
Ульяновский ПЦ 400 Д20
Состав бетона 1:0,89:2,24 0,54
Расход цемента 528 кг/м3
Без добавки
С добавкой
Ускоряющая добавка, с содержанием хлористых солей, ацетата натрия и нитрита натрия
(УПД) УПД-1
УПД-2
УПД-3
УПД-5
Ускоряюще-пластифицирующая добавка УПЛ
Добавка из солевых нитритно-нитратных паст ННН
Сорбозосодержащий сульфат натрия ССН
Ускоритель твердения бетонов (УТБ)
Хлорид кальция + Хлорид натрия CaCl2+NaCl
Ацетат кальция Са(СН3СОО)2
Раствор соли CН3COONa
Формиат кальция Са(HСОО)2
Содержание добавки, Прочность на 28-е сутки, МПа
% от массы цемента
без добавки
с добавкой
Разность,
МПа
-
39,2
43,2
4
1,5
39,2
49,2
10
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
0,5+1
1,5
1,5
1,5
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
48,3
48,0
47,8
46,6
45,8
47,5
48,6
46,0
45,7
46,4
9,1
8,8
8,6
7,4
6,6
8,3
9,4
6,8
6,5
7,2
-
39,2
40,2
1
1,5
39,2
40,2
1
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
0,5+1
1,5
1,5
1,5
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
39,2
46,6
45,8
45,7
45,0
45,0
44,0
43,8
45,1
42,8
42,0
43,2
7,4
6,6
6,5
5,8
5,8
4,8
4,6
5,9
3,6
2,8
4
15