Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций
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 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
Це-мент | R2О = Na2О + 0,658К2О. | K=K2O+ +1.52Na2O | SO3 в клин-кере | Сульфатный модуль MSO3= SO3/0,85К | При MSO30,5 | |
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+1/40С | 3+2+6+1/40С | 3+3+5+1/40С | ||
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 |