Анотація до роботи:

Плугін Андрій Аркадійович. Довговічність бетону і залізобетону в обводнених спорудах: Колоїдно-хімічні основи. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали і вироби. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2005.

Довговічність бетону і залізобетону у великогабаритних спорудах, зокрема тунелях, мостах, каналізаційних колекторах, резервуарах та ін., експлуатованих в умовах обводнення та вигину, набагато нижча, ніж у експлуатованих в нормальних умовах. Існуючі уявлення про довговічність і сам бетон для таких конструкцій недосконалі.

У дисертації розвинена кількісна теорія довговічності бетону і залізобетону в обводнених спорудах. Особливість цієї кількісної теорії полягає в тому, що вона ґрунтується на закономірностях колоїдної хімії, фізико-хімічної механіки дисперсних систем і матеріалів і основних положеннях про електрогетерогенні взаємодії при твердінні цементного каменю. На основі цих закономірностей і положень даються нові уявлення про механізми елементарних процесів формування міцності, руйнування, деформівності, водопроникності, корозійної стійкості, тріщиностійкості і в цілому довговічності цементного каменю, розчину, бетону й обводнених конструкцій з них. Виведені відповідні фізико-математичні моделі, що дозволяють прогнозувати довговічність вказаних обводнених конструкцій і споруд.

Розроблені нові теоретичні уявлення про довговічність бетону і залізобетону в обводнених спорудах дозволили створити комплекс високоефективних методик дослідження їх технічного стану, нових матеріалів, виробів і технологій для їх відновлення, підсилення, герметизації і продовження термінів служби, який ефективно використаний на багатьох реальних конструкціях і спорудах.

1. Встановлено, що значна частина обводнених бетонних, залізобетонних, кам’яних споруд (тунелів, водопропускних труб, мостів, колекторів, ємнісних споруд і т.п.) не витримує нормативних термінів служби, знаходиться в незадовільному стані, часто вимагає великих експлуатаційних витрат і невідкладного капітального ремонту. Основними факторами їх передчасних пошкоджень і зниження довговічності є обводнення і велика довжина конструкцій, що вигинаються і зазнають значних деформацій з утворенням тріщин, нестабільність цементного каменю, розчину і бетону за довготривалою повзучістю і безнапірною водопроникністю, недосконалість захисних і ремонтних матеріалів і технологій, а основною причиною - недосконалість теорії міцності і довговічності бетону і конструкцій з нього, що не дозволяє реалізувати їх великі потенційні можливості з довговічності.

2. Уточнені уявлення про бетон як полідисперсну систему з багаторівневою структурою, рівні якої - макро-, мезо-, мікро- та субмікро- визначаються розмірами структуроутворюючих елементів: за допомогою удосконалених електронно-мікроскопічних досліджень встановлено, що на субмікрорівні структурними елементами цементного каменю є частинки кристалогідратів і глобули гідросилікатного гелю, які є агрегатами частинок гелю.

3. Розроблена методика енергетичного (з урахуванням енергії Фермі) розрахунку електроповерхневих потенціалів простих речовин, за допомогою якої уточнені значення електроповерхневих потенціалів y⁰ і рівноважних електроповерхневих потенціалів y_р⁰ частинок кристалогідратів Са(ОН)₂ і гідросилікатів кальцію при різних рН. Удосконалені методики дослідження електроповерхневих властивостей - адсорбції колірних індикаторів і вимірювань у високовольтному електричному полі, за допомогою яких уточнені електроповерхневі потенціали кварцу і кальциту, які були використані при розрахунках довговічності в умовах біохімічної корозії.

4. Розроблена схема будови електрогетерогенних контактів між структурними елементами в цементному камені, розчині і бетоні, в якій виділені одиничні парні контакти між потенціалвизначальними іонами Са²⁺ і ОН^-; встановлена залежність корозійної стійкості цементного каменю і бетону від стабільності кристалогідратів Са(ОН)₂, при розчиненні яких зменшується кількість ЕГК між ними і гідросилікатним гелем. На основі цього розроблені основи кількісної теорії міцності цементного каменю і бетону з відповідними рівняннями. Встановлене оптимальне співвідношення кристалогідратів і гелю (К/Г)_опт = 0,91,0, яке разом з оптимальними величинами (В/Ц)_опт і коефіцієнтів розсунення зерен дрібного і крупного заповнювача m_опт і a_опт забезпечує максимальні міцність, щільність, довговічність цементного каменю, розчину, бетону.

5. Розроблено уточнену фізико-математичну (реологічну) модель повзучості цементного каменю, в якій кінетика деформацій визначається коефіцієнтом фільтрації і довжиною шляху фільтрації води, що витискується, визначуваною розмірами зразка або конструкції (масштабний фактор). Виходячи з цього причина значних розбіжностей у тривалості повзучості бетону в стандартних зразках (23 роки) і експлуатованих спорудах (десятки і сотні років) пояснена масштабним фактором.

6. Обґрунтований фільтраційний механізм довготривалої повзучості цементного каменю за рахунок безнапірної водопроникності, виведені рівняння для довготривалої повзучості на стадіях швидконатікаючої та довготривалої повзучості. Встановлено, що тривалість довготривалої повзучості цементного каменю визначається його безнапірною водопроникністю W_бв і довжиною шляху фільтрації, а гранична деформація - зменшенням товщини прошарків новоутворень між частинками цементу за рахунок стиснення ПЕШ частинок гелю. Показано, що мінімальні деформівність і безнапірна водопроникність цементного каменю і бетону, тобто їх максимальна довговічність, забезпечуються при оптимальних величинах (К/Г)_опт, (В/Ц)_опт, а у бетоні ще й m_опт і a_опт.

7. Встановлено, що на довговічність однобічно обводнених або омиваних конструкцій з бетону найістотніший вплив мають вилуговування при фільтрації води через бетон або його омиванні, карбонізація (карбонатизація), біохімічна корозія. Механізми цих видів корозії пояснені фільтраційними потоками під дією безнапірної водопроникності бетону, капілярного і осмотичного тиску, дифузійними потоками іонів агресивних речовин і продуктів розчинення. Розроблені кінетичні рівняння для прогнозу довговічності обводнених конструкцій при вказаних видах корозії.

8. Розвинуті уявлення про механізм біохімічної корозії бетону в каналізаційних колекторах і подібних спорудах: оцінені електроповерхневі властивості клітин бактерій та їх взаємодія з цементним каменем; показано, що кінетика корозії бетону в результаті життєдіяльності тіонових бактерій визначається дифузією іонів Н⁺, електрофоретичним прониканням клітин углиб бетону і фільтраційним винесенням продуктів розчинення кристалогідратів під дією осмотичного тиску води; виведені відповідні кінетичні рівняння.

9. Експериментально підтверджені закономірності розробленої кількісної теорії міцності цементного каменю, уявлення про механізм його безнапірної водопроникності і визначальний вплив довжини шляху фільтрації і В/Ц на кінетику і граничну деформацію довготривалої повзучості бетону. Отримані експериментальні значення W_бв цементного каменю на стадіях звичайної і довготривалої повзучості цементного каменю, близькі до розрахункових теоретичних, а розрахунково-експериментальні величини прогинів залізобетонних конструкцій порівнянні з реальними.

10. Обґрунтовано механізм в’язкості цементно-водних систем і впливу на в’язкість добавок-суперпластифікаторів як результат електростатичних взаємодій між різнойменно зарядженими ділянками поверхонь частинок цементу. Розроблено експериментальний спосіб визначення оптимальних за текучістю і довговічністю (В/Ц)_опт і витрати добавки, на основі яких розроблена у співавторстві суперпластифікована цементно-водна суспензія для цементації гірських порід і будівельних конструкцій, на яку отримано патент на винахід.

11. Розроблені нові принципи створення бетонів з низькими деформівністю і водопроникністю – з безосадкової (ОК0) бетонної суміші з високою вібророзтічністю за рахунок оптимальної витрати добавки-суперпластифікатора і забезпечення оптимальних значень _опт і _опт, а на їх основі створений у співавторстві новий спосіб визначення складу бетону з низькими деформівністю і безнапірною водопроникністю, на який отримані патенти на винаходи. Експериментальні дослідження міцності, вібророзтічності, довготривалої повзучості і безнапірної водопроникності бетону, склад якого визначений новим способом, показали його високу ефективність.

12. За результатами досліджень створено комплекс високоефективних методик оцінки технічного стану, прогнозування і проектування довговічності обводнених конструкцій і споруд, нових матеріалів, виробів і технологій для їх відновлення, підсилення і продовження терміну служби.

13. Результати досліджень впроваджені при розробленні проектів і проведенні робіт (за безпосередньою участю автора) з відновлення, підсилення, подовження терміну служби обводнених споруд - залізничного тунелю на ділянці Самбір - Сянки Львівської залізниці, бутобетонних опор з кам’яним облицюванням залізничного мосту через р. Сіверський Донець на ділянці Основа - Букине Південної залізниці, залізобетонних прогонових споруд мосту через р. Сироватка на ділянці Ворожба - Люботин Південної залізниці і залізничного шляхопроводу в м. Одеса, залізобетонної ванни плавального басейну «Локомотив» в м. Харкові, конструкцій насосної станції №2А (Ново-Баварської) Харківської міської каналізації і т.п. Особистий внесок здобувача в економічний ефект, одержаний тільки Південною залізницею, склав 729423,25 грн. Результати досліджень широко використані у навчальному процесі на будівельних факультетах УкрДАЗТ і ХДТУБА а також розроблених з участю автора навчальних посібниках і нормативних документах.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:

1. Плугин А.А. Агрессивность эксплуатационной среды сетей и сооружений водоотведения. Электроповерхностные свойства тионовых бактерий // Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 2005.- Вип.30.- Т.2.- С.75-79.

2. Плугін А.А. Агресивні дії на залізобетонну обробку тунелів метрополітену// Зб.наук. праць.- Харків: ХарДАЗТ, 2004.- Вип.63.- С.48-62.

3. Плугин А.А. Долговечность бетона транспортных сооружений, эксплуатируемых в условиях обводнения // Вісник НУВГП.- Рівне, 2004.- Ч.2.- Вип.4(28).- С.175-179.

4. Плугин А.А. Об определении электроповерхностного потенциала в твердеющих минеральных вяжущих // Вестник НТУ ХПИ.- 2004.- Вып.33.- С.66-74.

5. Плугин А.А. Об электроповерхностном потенциале в твердеющих минеральных вяжущих // Вестник НТУ ХПИ.- 2003.- Вып.15.- С.66-74.

6. Плугин А.А. Стойкость к биогенной сернокислой коррозии материалов на модифицированных кислотоупорных вяжущих // Науковий вісник будівництва.- 1998.- Вип.3.- С.141-142.

7. Плугин А.А., Бабушкин В.И., Юрченко В.А. Формирование агрессивности эксплуатационной среды сетей и сооружений водоотведения. Состав сред и основные реакции // Науковий вісник будівництва.- 2002.- Вип.16.- С.121125. (Здобувач виконав термодинамічні розрахунки хімічних та біохімічних реакцій, що призводять до утворення агресивності середовища, встановив найбільш вірогідні реакції та умови їх протікання).

8. Исследование деформационных характеристик тонкостенной железобетонной конструкции / А.А.Плугин, А.Н.Плугин, С.Н.Кудренко, Д.А.Плугин, О.А.Калинин // Залізничний транспорт України.- 2001- №3(24).- С.25-27. (Здобувач проаналізував і оцінив кінетику деформування стін залізобетонної ванни).

9. Понаднормативна довгочасна повзучість бетону в залізобетонній конструкції місткісної споруди / А.А.Плугін, А.М.Плугін, С.М.Кудренко, Д.А.Плугін // Зб. наук.праць.- Харків: ХарДАЗТ, 2000.- Вип.37.- С.32-44. (Здобувач розробив методику досліджень, визначив розрахункові схеми, побудував епюри напруг, визначив склад старого бетону, розрахував за даними про склад деформації довготривалої повзучості конструкції за 25 років).

10. Плугін А.А., Костюк Т.А., Бабушкін В.І. Управління міцністю дрібнозернистого бетону одразу після формування на основі урахування електроповерхневих властивостей його складових // Науковий вісник будівництва.- 1999.- Вип.7.- С.63-67. (Здобувач запропонував трактування Льюісівських та Бренстедівських активних поверхневих центрів як відповідальних за знак і величину поверхневого заряду і розробив методику розрахунку).

11. Физико-математические модели долговременной ползучести и безнапорной водопроницаемости цементного камня и бетона / А.Н.Плугин, А.А.Плугин, О.А. Калинин, С.В.Мирошниченко, С.Н.Кудренко, А.В.Никитинский, В.А.Лютый // Зб.наук.праць.- Луганськ: ЛНАУ, 2004.- №40(52). - С.145-154. (Здобувач розробив гіпотезу про фільтраційний механізм довготривалої повзучості за рахунок безнапірної водопроникності, вивів рівняння для стадії довготривалої повзучості).

12. Электрокоррозия железобетонных мостов и других искусственных сооружений / А.Н. Плугин, А.А.Скорик, А.А.Плугин, С.В.Мирошниченко, О.А. Калинин, И.В.Подтележникова, О.С.Герасименко, В.А.Лютый // Залізничний транспорт України.- 2004.- №1.- С.11-13. (Здобувач розробив схеми витоку струмів через конструкції мосту).

13. Електрокорозія бетону залізобетонних блоків обробки метрополітену / А.М. Плугін, А.А.Плугін, О.О.Скорик, О.С.Герасименко, Л.В.Трикоз, М.Ф.Макєєв // Зб. наук. праць.- Харків: УкрДАЗТ, 2003.- Вип.56.- С.126-135. (Здобувач розробив схеми витоку струмів через обробку тунелю).

14. Структура и долговременные свойства бетона / А.Н.Плугин, А.А.Плугин, О.А.Калинин, С.В.Мирошниченко // Строительные материалы и изделия.- 2003.- №4(18).- С.17-22. (Здобувач виконав фотографування і класифікацію багаторівневої структури бетону).

15. Автоматизированное регулирование состава раствора для цементации межтрубного зазора при ремонте коллекторов водоотведения методом вставок / А.В.Донец, А.А.Плугин, И.В.Коринько, Д.Ф.Гончаренко // Науковий вісник будівництва.-2002.- Вип.20.- С.125-129. (Здобувач обґрунтував склад і властивості ін’єкційного розчину, які забезпечать його проникну здатність і довговічність конструкції).

16. Теория удобоукладываемости бетонных смесей. Уплотняемость / А.Н.Плугин, А.А.Плугин, О.А.Калинин, С.В.Мирошниченко, Д.А.Плугин, С.Н.Кудренко // Науковий вісник будівництва.- 2002.- Вип.19.- С.233-238. (Здобувач сформулював принципи безосадкової вібророзтічності бетонної суміші, розробив спосіб оцінки вібророзтічності, виконав розрахунки).

17. Теория удобоукладываемости бетонных смесей. Жесткость / А.Н.Плугин, А.А.Плугин, О.А.Калинин, С.В.Мирошниченко, Д.А.Плугин, С.Н.Кудренко // Науковий вісник будівництва.- 2002.- Вип.18.- С.122-129. (Здобувач вивів рівняння залежності жорсткості суміші від її структурних характеристик).

18. Теория удобоукладываемости бетонных смесей. Пластичность / А.Н.Плугин, А.А.Плугин, О.А.Калинин, С.В.Мирошниченко, Д.А.Плугин, С.Н.Кудренко // Науковий вісник будівництва.- 2002.- Вип.17.- С.132-142. (Здобувач вивів рівняння осідання бетонної суміші в залежності від коефіцієнтів розсунення зерен заповнювачів).

19. Содержание и ремонт инженерных сооружений, работающих в сложных условиях / А.Н.Плугин, О.А.Калинин, Д.В.Шумик, А.В.Никитинский, В.К.Бабенко, А.Е.Тарасенко, А.А.Плугин // Залізничний транспорт України.- 2001- №2(23).- С.49-53. (Здобувач розробив комплекс методик досліджень технічного стану обводнених інженерних споруд).

20. Нова технологія ремонту кам’яних опор з силовими тріщинами / А.М.Плугін, С.В.Мірошніченко, О.А.Калінін, А.А.Плугін, В.К.Бабенко, А.В.Никитинський, В.А.Лютий // Зб.наук. праць.- Харків: ХарДАЗТ, 2001.- Вип.48.- С.4-10. (Здобувач розробив методику досліджень стану опор, запропонував для забиття швів застосувати малоусадковий розчин і розробив його склад).

21. Донец А.В., Плугин А.А., Титов Д.М. Анализ применимости методов производственного контроля технологичности строительных смесей для АСУ ТП // Науковий вісник будівництва.- 2001.- Вип.14.- С.265-272. (Здобувач запропонував вирази для взаємозв’язку між реологічними технологічними і реологічними фундаментальними властивостями будівельних сумішей).

22. Теоретические основы создания клееных деревянных мостовых брусьев и совершенствования технологии их изготовления. Структура и электроповерхностные свойства древесины / А.Н.Плугин, Д.А.Плугин, Л.В.Трикоз, А.А.Плугин, С.В.Мирошниченко, О.А.Калинин // Науковий вісник будівництва.- 2001.- Вип.13.- С.219-229. (Здобувач виконав розрахунки електроповерхневих властивостей кварцу і складових деревини).

23. Количественное описание реологических характеристик цементно-водных суспензий и механизма действия на них суперпластификаторов / А.Н.Плугин, А.А.Плугин, Д.В.Шумик, Арт.Н.Плугин, О.А.Калинин, С.В.Мирошніченко // Науковий вісник будівництва.- 2001.- Вип.12.- С.173-189. (Здобувач розробив схему контакту між частинками цементу, виконав розрахунки електроповерхневих потенціалів і розклинювального тиску).

24. Механизм влияния добавок-суперпластификаторов на прочность цементного камня из СПЦВС / А.Н.Плугин, Д.В.Шумик, А.А.Плугин, О.А.Калинин, А.В.Никитинский // Науковий вісник будівництва.- 2000.- Вип.10.- 138-146. (Здобувач розробив схеми електрогетерогенних контактів і взаємодії добавки з поверхнею частинок цементу, виконав розрахунки електроповерхневих потенціалів).

25. Развитие теории деформативности бетона на основе преобразованной модели Кельвина / А.Н.Плугин, С.Н.Кудренко, А.А.Плугин, С.В.Мирошниченко, О.А.Калинин // Науковий вісник будівництва.- 2000.- Вип.9.- 183-189. (Здобувач виконав аналіз рівняння Кельвіна, довів залежність тривалості деформації повзучості зразка або конструкції з їх розмірами).

26. Вплив електроповерхневих потенціалів мінералів портландцементу на його взаємодію з суперпластифікаторами / А.М.Плугін, Д.В.Шумик, Арт.М.Плугін, А.А.Плугін // Зб. наук. праць.- ХарДАЗТ, 2000.- Вип.44.- С.74-79. (Здобувач виконав розрахунок електроповерхневих потенціалів продуктів гідратації портландцементу з добавками).

27. Сутність граничної деформації повзучості бетону / А.М.Плугін, С.В.Мірошніченко, О.А.Калінін, А.А.Плугін, С.М.Кудренко, В.В.Новіков // Зб. наук. праць.- ХарДАЗТ, 2000.- Вип.42.- Ч.1.- С.89-96. (Здобувач висунув гіпотезу про фільтраційний механізм повзучості згідно з законом Дарсі).

28. Кинетические аспекты количественной теории деформирования бетона / А.Н.Плугин, О.А.Калинин, С.Н.Кудренко, С.В.Мирошниченко, А.А.Плугин // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво.- 2000.- №59.- С.178-182. (Здобувач проаналізував можливість застосування до повзучості моделі Терцагі).

29. Влияние активных поверхностных центров на прочность свежеотформованных мелкозернистых бетонов / В.И.Бабушкин, А.А.Плугин, Т.А.Костюк, В.А. Матвиенко // Науковий вісник будівництва.- 1999.- Вип.5.- С.85-88. (Здобувач запропонував гіпотезу про досягнення максимальної міцності бетонів і розчинів при рівній вимірюваній концентрації в суміші позитивно і негативно заряджених поверхневих активних центрів, запланував експеримент і проаналізував його результати).

30. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Костюк Т.А. Особенности подбора состава формовочной смеси для цементно-песчаных стеновых материалов заданной плотности // Науковий вісник будівництва.- 1998.- Вип.4.- С.61-63. (Здобувач одержав вирази для розрахунку складів заданої міцності з врахуванням коефіцієнту розсунення дрібного заповнювача).

31. Коррозионностойкие материалы на основе минеральных вяжущих для систем городской канализации / В.И.Бабушкин, А.А.Плугин, Д.Ю.Зеленский, С.З. Жалкина, Г.Ш.Салия // Науковий вісник будівництва.- 1998.- Вип.2.- С.195-199. (Здобувач висунув гіпотези про підвищення водостійкості кислототривких в’яжучих за рахунок утворення цеолітоподібних алюмосилікатів натрію і кальцію та їх бактерицидну дію, провів термодинамічні розрахунки, планування експериментів і аналіз їх результатів).

32. Плугин А.Н., Плугин А.А., Калинин О.А. Коллоидно-химические основы прочности, разрушения и долговечности бетона и железобетонных конструкций// Цемент.- 1997.- №2.- С.28-32. (Здобувач розробив удосконалені схеми електрогетерогенних контактів).

33. Биоповреждения конструкций систем городской канализации / В.И.Бабушкин, А.А.Плугин, Д.Ю.Зеленский, Г.Я.Дрозд // Коммунальное хозяйство городов.- 1997.- Вып.10.- С.95-98. (Здобувач систематизував дані про біопошкодження, виконав термодинамічні розрахунки біохімічних реакцій сульфатредукції та окислення сірководню, уточнив умови їх протікання).

34. Комплект бетонних виробів ефективної автономної системи каналізації для сільської місцевості / В.І.Бабушкін, С.З.Жалкіна, Д.Ю.Зеленський, А.А.Плугін// Науковий вісник будівництва.- 1997.- Вип.1.- С. 23-26. (Здобувач запропонував склади в’яжучих речовин і бетонів для корозійностійких труб).

35. Плугин А.Н., Плугин А.А. Природа коагуляционных контактов и их роль в обеспечении прочности и водостойкости вяжущих и композиционных материалов // Межвуз. сб. науч. тр.- Харьков: ХарГАЖТ, 1996.- Вып.26.- Т.1.- С.39-47. (Здобувач виконав опис механізму стійкості контактів на основі фізико-хімічної теорії міцності дисперсних систем Ребіндера-Щукіна).