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.
Таблица 5 Влияние температуры изотермической выдержки на прочность растворной составляющей бетона |
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
Состав | Коэффициент эффективности цемента при 40°С, Кп | Rд40 | Rд50 | Rд60 | Rцд | Кд40 | Кд50 | Кд60 |
Sika 20 Gold 0,4% (ПЦ-1) | 0,61 | 43,3 | 45,8 | 42,1 | 57,6 | 0,75 | 0,80 | 0,73 |
Sika 20 Gold 0,4% (ПЦ-5) | 0,72 | 46,8 | 46,7 | 45,1 | 56,9 | 0,82 | 0,82 | 0,79 |
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.
Таблица 7 Гранулометрический состав микронаполнителей | ||||
Микронаполнитель | Содержание частиц размером менее, % | |||
1 мкм | 5 мкм | 10 мкм | 50 мкм | |
Шлак «Тулачермет» | 4,1 | 29,8 | 49,6 | 100 |
Шлак «Северсталь» | 6,2 | 31,8 | 48,1 | 93,9 |
Песок 1 | 13,0 | 62,2 | 92,5 | 100 |
Песок 2 | 12,8 | 60,0 | 88,3 | 100 |
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.
Таблица 8 Влияние микронаполнителей на свойства бетонной смеси и прочность бетона |