Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций

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 40С, 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; 4,92; эттрингита – по интенсивности пиков d=9,69; 3,88; 3,03, алита – d= 2,77; 2,32; 2,18; 1,76; 1,62. 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 40С, 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

* 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).

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.