Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций 05. 23. 05 Строительные материалы и - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1страница 2
Похожие работы
Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых - страница №1/2




На правах рукописи

СМИРНОВА Ольга Михайловна

высококачественные БЕТОНЫ

ДЛЯ предварительно напряженных

железобетонныХ ПОДРЕЛЬСОВЫХ конструкций
05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург

2013


Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре строительных материалов и технологий


Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Петрова Татьяна Михайловна


Официальные оппоненты:

Попов Валерий Петрович

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО "Самарский государственный

архитектурно-строительный университет",

заведующий кафедрой технологии организации строительного производства;

Ковалева Анна Юрьевна

кандидат технических наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный архитектурно-строительный

университет», доцент кафедры строительных

материалов и технологий




Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

нефтяной технический университет»




Защита состоится «09» апреля 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005,

г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219).


Тел./факс: 8 (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».


Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» диссертационный совет Д 212.223.01.
Автореферат разослан «05» марта 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

д.т.н., проф.



Казаков Юрий Николаевич

I.общая характеристика работы

Актуальность темы. В связи с необходимостью интенсификации развития высокоскоростного железнодорожного транспорта в настоящее время в России остро стоит проблема повышения эксплуатационных характеристик железобетонных подрельсовых конструкций, как элемента надежного функционирования современной транспортной системы. Данные конструкции работают в сложных условиях эксплуатации, испытывая нагрузки от подвижного состава и воздействия окружающей среды, и должны сочетать в себе высокую прочность, морозостойкость, трещиностойкость, коррозионную стойкость. Такими свойствами характеризуются современные высококачественные бетоны. Получение подобных бетонов связано с применением модифицирующих добавок нового поколения, позволяющих улучшать технологические свойства бетонной смеси и эксплуатационные характеристики бетонов. Широкое применение высококачественных бетонов в производстве предварительно напряженных подрельсовых конструкций ограничивается существующей ведомственной нормативной документацией на использование определенных видов портландцемента, модифицирующих добавок, необходимостью обеспечения требуемой передаточной прочности после тепловлажностной обработки, а также наложением ограничений технологическим оборудованием, одно из которых – применение жестких бетонных смесей. В связи с этим получение высококачественных бетонов для производства подрельсовых конструкций на действующих технологических линиях с двукратной оборачиваемостью форм в сутки, обеспечивающих необходимую передаточную прочность (не менее 35МПа для бетона класса В40 и 44МПа для бетона класса В50), является актуальной задачей. Решение этой задачи может базироваться на комплексном подходе, предусматривающем использование рядовых сырьевых материалов, эффективных модификаторов структуры бетона, рациональных низкоизотермических режимов тепловлажностной обработки (ТВО).

Диссертационная работа посвящена установлению и научному обоснованию принципов получения бетонов для подрельсовых конструкций, отличающихся высокой передаточной прочностью, повышенной долговечностью и пониженной себестоимостью.

Работа выполнена при поддержке гранта для молодых ученых на проведение научных исследований ОАО «Российские железные дороги» (распоряжение №2220р от 27 октября 2010г.), гранта правительства Санкт-Петербурга для аспирантов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга распоряжение №74 от 30.10.2012г.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями особенностей получения высококачественных бетонов с применением эффективных водоредуцирующих добавок и тонкодисперсных минеральных компонентов занимались такие ученые как: Л.А.Алимов, Ю.М.Баженов, В.В.Бабков, В.Г.Батраков, М.И.Бруссер, А.И.Вовк, В.С.Демьянова, В.И.Калашников, С.С.Каприелов, П.Г.Комохов, Т.М.Петрова, В.Б.Ратинов, Ш.М.Рахимбаев, Р.З.Рахимов, Т.И.Розенберг, А.В. Ушеров-Маршак, В.Р.Фаликман, В.Г.Хозин, А.В.Шейнфельд, Й.Штарк, Й.Планк и многие др. В работах Т.М.Петровой, А.Ф.Серенко показано, что использование только суперпластификатора С-3 недостаточно для получения требуемой передаточной прочности бетона подрельсовых конструкций после низкоизотермических режимов ТВО продолжительностью не более 12 часов.

В работах Ш.Т.Бабаева, Ю.М.Баженова, Ю.М.Бутта, А.Г.Комара, П.Г.Комохова, С.А.Миронова, Л.А.Малининой, О.П.Мчедлова-Петросяна, А.В.Саталкина, С.В.Федосова, А.Е.Шейкина и многих др. ученых установлено, что на прочность бетона после ТВО кроме характеристик цемента и водоцементного отношения значительное влияние оказывают параметры режимов паропрогрева. Однако в литературе недостаточное внимание уделено влиянию этих параметров на прочность бетона с поликарбоксилатными модификаторами.



В теории твердения цемента на важную роль представлений о цементном тесте как о коллоидно-химической высокодисперсной системе с электроповерхностными свойствами частиц портландцемента и продуктов его гидратации, электрогетерогенными взаимодействиями между ними указывали И.Н.Ахвердов, В.В.Капранов, А.Ф.Полак, М.М.Сычев и др. Вопросы влияния электроповерхностных свойств микронаполнителей на действие пластифицирующих добавок изучали В.Г.Батраков, А.Н.Плугин, Ш.М.Рахимбаев, J.Plank и др. При этом вопросы влияния электроповерхностных свойств микронаполнителей на снижение жесткости бетонных смесей с поликарбоксилатными модификаторами остаются не изученными.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка высококачественных бетонов для производства предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях.

Объект исследования – бетоны для производства предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций.

Предмет исследования - составы и свойства высококачественных бетонов, обеспечивающих производство подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях с получением требуемой передаточной прочности бетона.

Задачи исследования:

  • определить критерии оценки и обосновать выбор портландцементов и модифицирующих добавок для получения высококачественных бетонов;

  • изучить основные закономерности влияния модифицирующих добавок на раннюю стадию гидратации портландцемента;

  • установить рациональные параметры режимов тепловлажностной обработки бетона в зависимости от свойств модифицирующих добавок и портландцемента;

  • произвести научно обоснованный выбор реологически активных минеральных микронаполнителей высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций;

  • разработать оптимальные составы высококачественного бетона для производства подрельсовых конструкций, обеспечивающих требуемую передаточную прочность бетона после тепловлажностной обработки при снижении температуры изотермической выдержки и расхода портландцемента;

  • оценить долговечность бетонов;

  • провести опытно-промышленное внедрение результатов исследований.

На защиту выносится концепция получения высококачественного бетона для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций с улучшенными эксплуатационными характеристиками, заключающаяся в использовании рядовых сырьевых материалов, химических и минеральных модификаторов, рациональных режимов ТВО и учитывающая совокупное влияние свойств добавок, портландцемента, параметров ТВО с пониженной температурой изотермической выдержки.

Научная новизна работы:

  1. Впервые разработаны критерии оценки портландцементов, учитывающие гранулометрический состав, активность и коэффициент эффективности портландцемента после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки, для получения высококачественного бетона подрельсовых конструкций с передаточной прочностью не менее 70% от нормативной после низкоизотермических режимов ТВО.

  2. Установлены эффективные водоредуцирующие модификаторы для жестких бетонных смесей, обеспечивающие требуемую передаточную прочность бетона в возрасте 12 часов после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки. Показана зависимость между химико-минералогическим составом портландцемента и величиной водоредуцирующего действия модифицирующих добавок в жестких бетонных смесях.

  3. Установлены оптимальные значения параметров низкоизотермического режима тепловлажностной обработки для получения высокой прочности и долговечности модифицированного бетона. Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после тепловлажностной обработки от ее продолжительности, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и водоредуцирующей добавки.

  4. Предложен способ выбора реологически активных минеральных микронаполнителей для цементных композиций с водоредуцирующими добавками, основанный на определении осредненного значения электрокинетического потенциала частиц микронаполнителя с помощью прибора Zetasizer Nano с учетом щелочности среды цементных систем.

  5. Установлены требования к минеральным микронаполнителям для высококачественных бетонов подрельсовых конструкций, способствующих снижению жесткости бетонной смеси и обеспечивающих уменьшение расхода портландцемента, требуемую нормативную и передаточную прочность после низкоизотермической тепловлажностной обработки.

Теоретическая и практическая значимость работы. Основные положения работы могут быть использованы в производстве сборных предварительно напряженных железобетонных конструкций с улучшенными эксплуатационными характеристиками на существующих технологических линиях производства с двукратной оборачиваемостью форм в сутки. Даны рекомендации по расходам модификаторов, гранулометрическому и химико-минералогическому составу портландцементов, режимам ТВО с целью обеспечения требуемой передаточной прочности бетонов и их высоких эксплуатационных характеристик.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Строительные материалы и технологии» Петербургского государственного университета путей сообщения для студентов, обучающихся по специальностям «Строительство железных дорог», «Мосты и тоннели», «Промышленное и гражданское строительство», магистров направления «Строительство».



Методы исследования: рентгенофазовый анализ (дифрактометр рентгеновский XRD-6000 фирмы Shimadzu), термокинетический анализ (микрокалориметр типа Кальве), метод электронного сканирования (сканирующий электронный микроскоп модели IVS Supra55VP-3249 фирмы Zeiss), анализ гранулометрического состава частиц (лазерный дифракционный анализатор размера частиц MicroSizer 201); анализ распределения зарядов разного знака на поверхности тонкодисперсных минеральных частиц и оценка осредненного значения электрокинетического потенциала минеральной частицы (прибор Zetasizer Nano фирмы Malvern Instruments). Физико-механические характеристики растворов и бетонов оценивались в соответствии с действующими ГОСТами; испытания шпал на трещиностойкость (машина испытательная тип ДГ-40) по ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные, предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм». Использованы методы статистической обработки результатов испытаний, математического планирования эксперимента.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 – «Строительные материалы и изделия», п.6. Создание теоретических основ получения строительных композитов гидратационного твердения и композиционных вяжущих веществ и бетонов; п.7. Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается данными экспериментальных исследований, выполненных в аккредитованной испытательной лаборатории; применением современных инструментальных методов; достаточными выборками и статистической обработкой результатов; хорошей сходимостью данных, полученных в лабораторных и производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя науки», ПГУПС, г.С-Петербург в 2009г. и 2010г.; на международных конференциях 17.IBAUSIL, 18.IBAUSIL, г.Веймар, Германия в 2009г., 2012г.; на 10-ой Международной конференции “Modern Building Materials, Structures and Techniques», г.Вильнюс в 2010 г.; на научно-технической конференции «Бетон в современном строительстве-2010», г.С-Петербург; на IV международной научно-технической конференции «Популярное бетоноведение-2011», г.С-Петербург; на XIII-ом Международном конгрессе по химии цемента, г.Мадрид, Испания, в 2011 г., Всероссийском конкурсе "Инновационный потенциал молодежи 2012", г.Ульяновск, на конкурсе грантов 2012 года для аспирантов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, при поддержке правительства Санкт-Петербурга; на Международной научно-методической конференции «Путь XXI века» г.С-Петербург в 2013г.

По результатам исследований получено решение на выдачу патента по заявке №2011148805 от 30.11.2011г. «Бетонная смесь».

Основное содержание диссертации опубликовано в 21 научной работе, из них пять – в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 170 страниц, в том числе 152 страниц основного текста, содержащего 41 таблицу, 66 рисунков и 6 страниц приложений. Список использованных источников содержит 171 наименование.

II.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Впервые разработаны критерии оценки портландцементов, учитывающие гранулометрический состав, активность и коэффициент эффективности портландцемента после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки, для получения высококачественного бетона подрельсовых конструкций с передаточной прочностью не менее 70% от нормативной после низкоизотермических режимов ТВО.

На основании проведенного обзора литературных данных сформулирована общая концепция получения высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций. Она реализует комплексный подход к проектированию таких бетонов, который предусматривает ряд этапов, отраженных на принципиальной схеме (рис.1), где первый этап состоит в установлении критериев оценки свойств портландцемента.

Для решения поставленных задач в исследованиях использованы отечественные портландцементы ПЦ500-Д0-Н разных заводов–производителей, применяемые для производства подрельсовых конструкций с содержанием С3S в пределах 62,1-66,4%; C3A – 4,1-7,9%; SO3 – 2,50-3,12%; R2O – 0,55-1,15%.

Как показали результаты исследований, активность и марка портландцемента при нормальных условиях твердения, а также его активность после пропаривания при 80°С не являются надежными характеристиками его эффективности при тепловой обработке с пониженной температурой изотермической выдержки (табл. 1). В связи с этим в качестве критерия оценки эффективности портландцемента при низкоизотермической тепловлажностной обработке предложено определять активность портландцемента и коэффициент его эффективности после ТВО с температурой изотермической выдержки 40°С, что позволяет научно обоснованно выбирать портландцементы для производства подрельсовых конструкций (1):



Кп=Rп/Rц, (1)

где Rп ‒ активность цемента после ТВО продолжительностью 12 часов с температурой изотермической выдержки 40°С;



Rц ‒ активность цемента при нормальном твердении в возрасте 28 суток.

Основные направления реализации концепции получения высококачественного бетона для производства подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях с использованием традиционных материалов

прямая со стрелкой 196прямая со стрелкой 198прямая соединительная линия 199прямая со стрелкой 220



Использование портландцементов совместимых с модифицирующими добавками и обеспечивающих

высокую передаточную прочность



Использование

эффективных

модифицирующих добавок

Применение

низкоизотермических режимов ТВО




Ограничения технологии производства подрельсовых конструкций: требуемая передаточная прочность бетона не менее 35МПа (класс бетона В40) и 44МПа (класс бетона В50) в возрасте 12 часов, жесткие бетонные смеси (Ж2), портландцемент марки 500
прямая со стрелкой 197 прямая со стрелкой 203 прямая со стрелкой 213

прямая со стрелкой 204прямая со стрелкой 209прямая со стрелкой 210прямая со стрелкой 221
Разработка критериев выбора портландцементов для низкоизотермических режимов ТВО

Определение параметров

низкоизотермических режимов ТВО



Выбор минеральных

микронаполнителей


Выбор водоредуцирующих модификаторов по критерию достижения максимальной прочности бетона в возрасте 12 часов


прямая соединительная линия 215прямая соединительная линия 216

прямая со стрелкой 207прямая соединительная линия 214
Разработка составов бетона

Оценка эксплуатационных характеристик бетона



прямая со стрелкой 207

прямая со стрелкой 207

Оценка экономической эффективности



прямая со стрелкой 207

Рис.1. Принципиальная схема реализации концепции исследования

Установлено, что требуемая передаточная прочность бетона класса В40 (35МПа) после ТВО с продолжительностью 12 часов и температурой изотермической выдержки 40°С, достигается на портландцементах с коэффициентом эффективности после пропаривания при 40°С, составляющим не менее 0,72. Для направленного выбора портландцемента для низкоизотермических режимов ТВО с коэффициентом эффективности после пропаривания при 40°С, равным не менее 0,72, предложено использовать критерий, учитывающий его гранулометрический состав.

Влияние тонкости помола портландцемента на раннюю прочность и долговечность цементного камня показано в работах Ю.М.Баженова, В.В.Бабкова, Т.М.Петровой, С.М.Рояка, Р.Р.Сахибгареева и др., однако отсутствуют данные о влиянии гранулометрического состава на 12-ти часовую прочность цементного камня после низкотемпературной тепловой обработки.



Таблица 1

Активность и коэффициенты эффективности портландцементов после ТВО

Цемент


Активность цемента, МПа

Активность

при 80°С, МПа



Коэффициент эффективности после пропаривания при 80°С

Группа активности при пропаривании при 80°С

Активность при 40°С, МПа

Коэффициент эффективности после пропаривания при 40°С

ПЦ-1

51,3

34,1

0,67

2

31,1

0,61

ПЦ-2

50,8

33,2

0,65

2

28,8

0,57

ПЦ-3

50,9

32,0

0,63

2

30,1

0,59

ПЦ-4

52,2

38,8

0,74

1

39,5

0,76

ПЦ-5

52,5

41,0

0,78

1

37,7

0,72

ПЦ-6

52,6

36,1

0,68

1

33,7

0,64

ПЦ-7

52,3

32,3

0,62

2

38,2

0,73


Таблица 2

Гранулометрический состав портландцементов




Содержание зерен цемента размером менее, %

2

мкм


3

мкм


5

мкм


10

мкм


16

мкм


32

мкм


50 мкм

100

мкм


ПЦ-1

6,3

8,6

14,1

23,7

48,8

68,9

80,2

95,2

ПЦ-2

9,4

10,6

20,8

34,7

45,6

72,2

83,1

97,5

ПЦ-3

9,0

12,5

19,8

36,7

47,1

72,6

84,3

99,1

ПЦ-4

14,8

20,8

28,7

42,9

51,3

70,7

82,7

96,0

ПЦ-5

11,6

16,6

23,7

38,6

49,2

75,2

90,1

98,7

ПЦ-6

6,6

11,5

24,0

38,9

45,8

71,0

86,9

96,5

ПЦ-7

13,9

19,7

27,4

42,2

51,8

73,8

87,9

97,9
Сопоставл­ение данных о грануломет­рическом   составе исследованных портландцементов (табл.2.)   со значениями­ коэффициен­та эффективно­сти портландцемента позволяет сделать вывод о том, что в  условиях изотермиче­ской выдержки при температур­е 40°С наибольшую­ активность­ проявляют портландцементы с повышенным­ содержание­м фракций менее 2 и 3 мкм (12-15% и 17-20 соответств­енно). Коэффициен­т корреляции­ между указанными­ параметрам­и составляет­ 0,82. Следует отметить, что гранулометрические составы портландцементов с высокой активностью после ТВО при 40°С соответствовали литературным данным о зерновых составах, обеспечивающих высокую долговечность и самозалечивание микротрещин в цементном камне при водоцементном отношении 0,3.

Однако, высокие значения активности и коэффициента эффективности портландцемента при низкоизотермическом режиме ТВО и установленный гранулометрический состав не являются достаточными условиями для выбора портландцементов для высококачественных бетонов, содержащих поликарбоксилатные водоредуцирующие модификаторы. Дополнительным условием выбора портландцементов является их совместимость с модифицирующими добавками.



2.Установлены эффективные водоредуцирующие модификаторы для жестких бетонных смесей, обеспечивающие требуемую передаточную прочность бетона в возрасте 12 часов после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки. Показана зависимость между химико-минералогическим составом портландцемента и величиной водоредуцирующего действия модифицирующих добавок в жестких бетонных смесях.

Для диссертационного исследования были выбраны водоредуцирующие добавки на поликарбоксилатной основе: Glenium АСЕ 430, Glenium 51, Policarbodal 1000, Melflux 2651, Sika Viscocrete 20 Gold, Sika Viscocrete 25 Ru и на полиэтиленгликолиевой основе: Melflux PP100F. Водоредуцирующие поликарбоксилатные модификаторы представлены достаточно широко на строительном рынке. В связи с этим необходимо установить критерий выбора вида и расхода добавки для производства подрельсовых конструкций из жестких смесей при двукратной оборачиваемости форм в сутки.

На основе математической зависимости прочности цементного камня и бетона от вида и расхода модификаторов в разном возрасте при нормальных условиях твердения показано, что для каждой добавки существует оптимальный расход, обеспечивающий повышение прочности цементного камня и бетона в возрасте 12, 18 и 24 часов. Наибольший прирост прочности в возрасте 12 часов был получен при введении добавок Sika Viscocrete 20 Gold, Glenium ACE 430, Policarbodal 1000 в количестве 0,4%. Образцы с остальными добавками в этом возрасте имели прочность сопоставимую с бездобавочными или ниже. Исследованные добавки при расходе меньшем оптимального не повышали раннюю прочность бетона вследствие недостаточного снижения В/Ц, а при расходе выше оптимального – преобладало их замедляющее действие на гидратацию портландцемента.

Таким образом, с целью получения высококачественного бетона для подрельсовых конструкций оптимальный расход модификатора необходимо назначать не из условия его максимального водоредуцирующего действия, а из условия получения максимальной прочности бетона при нормальных условиях твердения в возрасте, равном продолжительности ТВО, например, при двукратной оборачиваемости форм в сутки, в возрасте 12 часов.

Для дальнейших исследований, с учетом стоимости модификаторов, были выбраны Sika Viscocrete 20 Gold и Glenium ACE 430.

Для производственных составов бетона методами математической статистики установлено влияние расхода добавки и портландцемента на прочность бетона после ТВО с температурой изотермической выдержки 40ºС, а также в возрасте 28 суток (2,3) и построены изоповерхности (рис.2-3):

Rтво=40,676+0,713X1 + 3,970X2-3,098X12-2,048X22-2,070X1X2 (2)

R28=69,171+6,787X1 + 11,567X2-0,647X12+1,693X22+1,750X1X2 (3)

где X1- расход добавки Sika Viscocrete 20 Gold (%);

X2- расход портландцемента (кг).








Рис.2. Прочность бетона после ТВО в зависимости от расхода портландцемента и добавки

Рис.3. Прочность бетона в возрасте 28 суток в зависимости от расхода портландцемента и добавки

Для оценки фазообразования цементного камня при оптимальном проценте введения добавки был проведен рентгенофазовый анализ образцов после ТВО с температурой изотермической выдержки 40°С, изготовленных из теста нормальной густоты с Sika Viscocrete 20 Gold (0,4%) (рис.4).



1)



2)



Рис.4. Рентгенограммы образцов: 1- без добавки; 2- с добавкой

Определение относительного содержания портландита осуществлялось по интенсивности пиков d=1,92; 2,63; 4,92Å; эттрингита – по интенсивности пиков d=9,69; 3,88; 3,03Å, алита – d= 2,77; 2,32; 2,18; 1,76; 1,62Å. При оценке влияния добавок на содержание портландита, эттрингита и алита методом РФА за единицу принимались средние интенсивности их пиков в цементном камне без добавок (рис.5). Сопоставление полученных результатов показало, что в присутствии добавки снижается степень гидратации цемента. Следовательно, можно утверждать, что повышение прочности цементного камня при введении поликарбоксилатного модификатора происходит в основном за счет изменения структуры цементного камня.






Рис.5. Влияние добавки на относительное содержание портландита, эттрингита и алита после ТВО








Рис.6. Структура гидросиликатного сростка в образце без добавки после ТВО

Рис.7. Структура гидросиликатного сростка в образце с добавкой после ТВО
При сравнении структуры гидросиликатных новообразований при электронно-микроскопических исследованиях в образцах цементного камня после ТВО с температурой изотермической выдержки 40ºС, видно, что в образце с добавкой Sika Viscocrete 20 Gold (0.4%) образуются более тонкодисперсные и более плотные по структуре новообразования (рис.6-7), что повышает количество контактов между ними и способствует повышению прочности цементного камня.

При сравнении водоредуцирующего действия добавок в равножестких бетонных смесях на разных портландцементах, установлено влияние на этот показатель содержания трехкальциевого алюмината (рис.8).



Рис.8. Водоредуцирующее действие добавок в зависимости от вида цемента

Содержание SO3 и щелочных металлов в выбранных портландцементах было приблизительно одинаковым, поэтому их влиянием на водоредуцирующее действие добавок можно пренебречь. Содержание растворимых щелочных сульфатов (табл. 3), рассчитанное по методике Pollit H.W.W. и Brown A.W. изменялось в узком диапазоне (0,32-0,39%), при этом у всех семи исследованных портландцементов весь SO3 клинкера был связан в щелочные сульфаты, содержание которых изменялось в пределах 0,32-0,60%.

Расход добавок, необходимый для получения равножестких бетонных смесей, изменялся в значительных пределах в зависимости от вида портландцемента. Имеется тесная корреляционная связь между содержанием С3А и водоредуцирующим действием поликарбоксилатного модификатора: оно составляло 11,9% при введении 0,4% добавки в бетонную смесь на портландцементе с содержанием С3А=6,3% и 10,5% при введении 0,6% добавки в смесь на портландцементе с С3А=7,9%. При расходе добавок, равном 0,4%, отмечалась наибольшая зависимость их водоредуцирующего действия от вида портландцемента, а с повышением расхода добавок влияние содержания С3А на водоредуцирующее действие уменьшалось.



Таблица 3

Определение сульфатного модуля и содержания растворимых щелочных сульфатов

Це-мент

 R2О = Na2О + 0,658К2О.


K=K2O+

+1.52Na2O




SO3

в клин-кере



Сульфатный модуль MSO3= SO3/0,85К


При MSO3≤0,5

Форма связывания щелочных металлов

Содержание растворимых щелочных сульфатов, KS= 1,18SO3

ПЦ-1

0,55

0,838

0,27

0,379

*

0,32

ПЦ-2

0,58

0,874

0,33

0,444

*

0,39

ПЦ-3

0,76

1,151

0,34

0,348

*

0,40

ПЦ-4

1.15

1,745

0,40

0,270

*

0,47

ПЦ-5

0,69

1,056

0,30

0,334

*

0,35

ПЦ-6

0,79

1,197

0,43

0,423

*

0,51

ПЦ-7

1,15

1,749

0,51

0,343

*

0,60

* Избыток щелочных металлов: весь SO3 связан в щелочные сульфаты

Как было установлено, для получения максимальной прочности бетона в возрасте 12 часов расход модификатора составлял 0,4% на всех выбранных портландцементах. В связи с этим для получения значительного снижения расхода воды, и соответственно, повышения ранней прочности бетона при использовании модификатора в количестве 0,4% необходимо учитывать содержание С3А в портландцементе.

Установлено, что су­ществуют и другие факторы, помимо содержания С3А, определяющие недостаточное снижение водопотребности жестких бетонных смесей при введении поликарбоксилатных модификаторов. На портландцементах с содержанием щелочных металлов в пересчете на оксид натрия (R2O) в пределах 0,79-1,15% и при содержании растворимых щелочных сульфатов в пределах 0,47-0,60%, наблюдалась быстрая потеря удобоукладываемости бетонных смесей с добавками через 8-15 минут от момента затворения. В то время как в равножестких бетонных смесях на этих портландцементах без добавок быстрого снижения жесткости не наблюдалось. Это согласуется с данными, полученными при исследовании тепловыделения цементного теста с добавкой Sika Viscocrete 20 Gold (0.4%) с использованием термокинетического анализа (рис. 9-10).

При содержании в портландцементе щелочных металлов в пересчете на оксид натрия R2О=0,55 интенсивный рост новообразований, оцениваемый по первому экзоэффекту, наступает через 3-5 минут после затворения и совпадает с моментом перемешивания смеси. Увеличение содержания R2О сопровождается смещением 1-го пика: экзоэффект наступает через 8-12 минут после затворения. Несмотря на уменьшение величины тепловыделения, указанное временное смещение, вероятно, является причиной резкого снижения «времени жизни» смеси.








Рис.9. Скорость тепловыделения портландцементов в течение первого часа гидратации

Рис.10. Суммарное тепловыделение портландцементов в течение первого часа гидратации

В присутствии добавки время проявления и величина 2-го экзоэффекта обусловлены количеством зерен тонких фракций: корреляция между содержанием щелочных металлов и тепловыделением слабая (рис.11-12).







Рис.11. Скорость тепловыделения цементов в течение 25 часов гидратации

Рис.12. Суммарное тепловыделение цементов в течение 25 часов гидратации

Таким образом, в качестве водоредуцирующей добавки целесообразно применять Sika Viscocrete 20 Gold или Glenium ACE 430 с расходом 0,4% (от массы портландцемента). Для обеспечения совместимости с добавкой портландцементы должны характеризоваться пониженным содержанием С3А - не более 6,3% и содержанием щелочных оксидов R2О - не более 0,79%.

3.Установлены оптимальные значения параметров низкоизотермического режима ТВО для получения высокой прочности и долговечности модифицированного бетона. Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после ТВО от ее продолжительности, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и водоредуцирующей добавки.

Показано, что продолжительность предварительной выдержки бетона перед ТВО целесообразно назначать, исходя из срока начала схватывания цементного теста с поликарбоксилатным модификатором. При оптимальном расходе модификатора выдержка составила 2,5-3 часа в отличие от применяемой в производстве подрельсовых конструкций выдержки, равной 1,5-2 часа.




Таблица 4

Влияние скорости подъема температуры на прочность растворной составляющей бетона (В/Ц=0,3)

Вид

цемента


Добавка

Прочность на сжатие после ТВО, МПа

3+1+7+1/40ºС

3+2+6+1/40ºС

3+3+5+1/40ºС

ПЦ 1

Sika Viscocrete 20 Gold 0,4%

42,9

44,1

48,1

ПЦ 5

Sika Viscocrete 20 Gold 0,4%

44,9

50,8

49,9

ПЦ 1

Glenium ACE430

0,4%


43,2

43,8

50,8

ПЦ 5

Glenium ACE430

0,4%


45,9

51,3

48,9
Для определения влияния скорости подъема температуры на прочность бетона с оптимальным расходом добавки после ТВО были выбраны режимы с температурой изотермической выдержки, равной 40°С (т.к. при этой температуре получен наибольший прирост прочности бетона с добавкой по сравнению с бездобавочным) и общей продолжительностью 12 часов, отличающиеся скоростью подъема температуры (табл.4). Для сравнения были выбраны портландцементы с различным содержанием тонких фракций.

Из табл.4 видно, что наибольшую прочность бетон достигает при скорости подъема температуры 7-10°С/час. При этом для портландцемента с содержанием зерен размером менее 3мкм в пределах 17-20% и коэффициентом эффективности при низкоизотермическом режиме ТВО, равном не менее 0,72 (ПЦ-5), скорость подъема температуры может составлять10°С/час.

Кроме активности портландцемента при низкоизотермическом режиме ТВО предложено учитывать активность портландцемента с добавкой при такой же температуре изотермической выдержки. Исследования показали, что в зависимости от вида модификатора изменяется оптимальное значение температуры изотермической выдержки, соответствующее условию достижения максимальной прочности. Определение влияния температуры изотермической выдержки проводилось при скорости подъема температуры 7-8°С/час (табл. 5).

Установлено, что максимальные абсолютные значения прочности образцов бетона с добавкой Sika 20 Gold могут быть получены при температуре изотермической выдержки 50°С, Glenium АСЕ 430 - 40°С. При этом максимальный прирост прочности бетона с добавками после ТВО по сравнению с бездобавочным достигается при температуре изотермической выдержки 40°С.





Таблица 5

Влияние температуры изотермической выдержки на прочность растворной составляющей бетона


Добавка, %

В/Ц

Прочность на сжатие после ТВО, МПа/%

3+1+7+1

/30ºС


3+3+5+1

/40ºС


3+4+3+2

/50ºС


3+5+2+2

/60ºС


0

0,34

28,1/100

33,6/100

37,1/100

37,8/100

Glenium АСЕ 430 0,4%

0,30

39,2/139

49,3/146

48,9/131

48,8/129

Sika Viscocrete 20 Gold 0,4%

0,30

39,8/141

50,9/151

52,3/140

49,9/132


В связи с этим, для снижения расхода портландцемента при введении водоредуцирующего модификатора необходимо, чтобы портландцемент имел высокую активность при оптимальной температуре изотермической выдержки для данного модификатора.

Предложено одновременно определять коэффициент эффективности портландцемента с поликарбоксилатным модификатором при низкоизотермическом режиме ТВО (например, при температуре изотермии 40, 50 и 60°С) (4) и оптимальную температуру изотермической выдержки (таблица 6):



Кдt=Rдt/Rцд, (4)

где Rдt ‒ активность цемента с добавкой после ТВО с температурой изотермической выдержки t=40, 50 и 60°С;



Rцд ‒ активность цемента с добавкой при нормальном твердении в возрасте 28 суток.

Коэффициент эффективности портландцемента с добавкой при низкоизотермическом режиме ТВО позволяет установить оптимальную температуру изотермической выдержки с учетом свойств добавки и портландцемента.



Таблица 6

следующая страница >>