Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций

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.

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

Коэффициент эффективности портландцемента с добавкой

при низкоизотермическом режиме ТВО

Таким образом, установлены значения параметров ТВО бетона с добавками на основе эфиров поликарбоксилатов: продолжительность предварительной выдержки 2,5-3 часа; скорость подъема температуры 7-10°С/час; температура изотермической выдержки 40-50°С.

Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после ТВО от продолжительности ТВО, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и добавки. Для этого рассмотрена многофакторная задача нахождения зависимости прочности бетона Y от следующих факторов: Rd - расхода добавки (0,3; 0,4; 0,5%), Rc - расхода цемента (400, 440, 480, кг), t – продолжительности ТВО (10, 12, 14 час), Tgrad - температуры изотермической выдержки (40°С, 50°С, 60°С).

Уравнение функции регрессии Y представляется в виде многочлена 2-й степени от 4-х переменных, со значимыми оценками параметров и коэффициентом R2=95,32%, в виде:

Y = -330,5 + 445,6*Rd + 1,2*Rc – 395,9*Rd2 - 0,4*Rd*Rc + 3,9*Rd*t + 0,2*Rd*Tgrad - 0,001*Rc2.

На основании полученной модели определено, что в условиях применения портландцементов, удовлетворяющих критериям по активности после низкоизотермического режима ТВО, химико-минералогическому и гранулометрическому составам, а также водоредуцирующих модификаторов в оптимальном количестве (0,4%) расход портландцемента составляет 400 кг/м3, что на 15% меньше по сравнению с производственными составами при снижении температуры изотермической выдержки с 80°С до 40°С и обеспечения требуемой передаточной прочности бетона класса В40. Обеспечение передаточной прочности бетона класса В50 достигается при снижении температуры изотермической выдержки до 40°С. При этом прочность бетона в возрасте 28 и 360 суток была сопоставима с прочностью бетона без добавок.

Марка по морозостойкости бетона класса В40 повысилась с F200 до F400, бетона класса В50 до F500.

При испытании на трещиностойкость железобетонных шпал, изготовленных из высококачественного бетона под действием статической нагрузки, установлено повышение этого показателя в пределах 23%.

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.

Производство высококачественных бетонов связано с применением эффективных водоредуцирующих добавок и тонкодисперсных минеральных компонентов, позволяющих улучшать технологические свойства бетонной смеси и эксплуатационные свойства бетонов. Водоредуцирующие модификаторы на поликарбоксилатной основе могут иметь высокую анионную активность, поэтому большое значение приобретают исследования электроповерхностных свойств минеральных компонентов в цементных системах. Этому способствует и появление новых инструментальных методов, в том числе, с использованием прибора Zetasizer Nano для определения количественного распределения зарядов на поверхности частиц и осредненного электрокинетического потенциала частиц (–потенциала).

Для установления способности микронаполнителей к адсорбции анионактивных поликарбоксилатных модификаторов и, соответственно, влиянию на диспергирование цементной системы, предложен способ оценки распределения зарядов на поверхности микронаполнителя и осредненного электрокинетического потенциала частиц при рН жидкой фазы, равном 12 (в отличие от ранее предложенных методов, не учитывающих щелочность среды).

В исследованиях использованы гранулированные доменные шлаки: ОАО "Тулачермет" и ОАО «Северсталь» (с модулем основности 1,04 и 1,02 соответственно), два вида природного песка (обозначены 1 и 2). Микронаполнители были получены с помощью центробежно-эллиптической мельницы АС100 (класс мельниц “Активатор C ”) фирмы Oy CYCLOTEC Ltd – Финляндия. Гранулометрический состав микронаполнителей представлен в табл. 7.

При определении количественного распределения активных центров различного знака на поверхности частиц микронаполнителей и портландцемента в зависимости от рН жидкой фазы, установлено, что наибольшее количество активных центров находится на частицах портландцемента (рис.13). При добавлении в дистиллированную воду цементная частица имела осредненный –потенциал, равный -1,04 мВ, в воде при рН=12 преобладали положительно заряженные активные центры и частица имела осредненный –потенциал, равный +2,08 мВ.

Шлак (ОАО «Северсталь») в воде при рН=12 имел на своей поверхности наибольшее количество отрицательно заряженных активных центров (осредненный –потенциал равен -2,12 мВ) по сравнению со шлаком ОАО "Тулачермет" (осредненный –потенциал был равен -0,19 мВ) (рис.14). Эксперименты показали, что микронаполнитель из шлака с наибольшим количеством отрицательных активных центров в начальный период гидратации, повышает водоредуцирующее действие анионактивных поликарбоксилатных модификаторов в цементных системах портландцемент-шлак в пределах 15%.

На частицах молотого песка 1 преобладали отрицательные заряды и осредненный –потенциал при рН=12 был равен -2,88 мВ, он мало изменился при введении добавки Sika Viscocrete 20 Gold и составил -3,26мВ. Этот микронаполнитель в составе цементных систем повышал водоредуцирующее действие добавок на основе эфиров поликарбоксилатов в пределах 17%. В отличие от микронаполнителя из песка 2, который имел практически равное количество отрицательных и положительных зарядов на своей поверхности и осредненный –потенциал при рН=12 у его частиц был равен -0,06мВ. При введении добавки Sika Viscocrete 20 Gold осредненный –потенциал частиц составил -4,25 мВ, что может подтверждать адсорбцию добавки на частицах этого микронаполнителя.

Рис.13. Количественное распределение активных центров различного знака на поверхности частиц цемента	Рис.14. Количественное распределение активных центров различного знака на поверхности частиц шлака

Эксперименты показали, что частицы микронаполнителя, с преобладающим количеством отрицательных активных центров на своей поверхности в начальный период гидратации в условиях снижения расхода портландцемента существенно повышают водоредуцирующее действие анионактивных поликарбоксилатных модификаторов.

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.

Измерения -потенциала минеральных микронаполнителей позволяют определять их способность к адсорбции пластифицирующих добавок и выделять реологически активные микронаполнители. Такие микронаполнители можно использовать при производстве сборного бетона и железобетона с целью снижения жесткости смесей без увеличения расхода водоредуцирующих добавок или воды, т.к. увеличение их расхода ведет к снижению ранней прочности бетона.

Для обеспечения требуемой передаточной прочности бетона класса В50 на технологических линиях по производству шпал OLMI используются бетонные смеси с жесткостью 11 секунд, что не полностью удовлетворяет требованиям к смесям для этих линий и приводит к увеличению продолжительности виброуплотнения смеси и снижению производительности линий.