0.4 Быстротвердеющие бетоны для конструкций, возводимых в скользящей опалубке
Добшиц Л.М., Швецов Н.В., Разумовский А.Б. (МИИТ, г. Москва, РФ)
Изложены результаты исследования бетонов для конструкций, сооружаемых в скользящей опалубке. Предложена технология возведения таких конструкций. Разработана и экспериментально подтверждена теория о 3-х стадийном твердении цементов в растворах поташа при положительных температурах.
The results of the research of concrete types for structures erected in the sliding mould have been provided. The technology of erecting these structures has been offered. The theory of three stage concrete maturing in the potash solution at positive temperatures has been developed and experimentally confirmed.
В настоящее время всё большее применение находят дорожные железобетонные ограждения, возводимые методом непрерывного формования в скользящей опалубке. Преимуществом метода является сокращение численности рабочих, занятых сооружением опалубки и укладкой бетона и сокращением сроков бетоноукладочных работ. При этом существующие технологии изготовления ограждений выявили недостатки, которые не позволяют добиться необходимого качества этих изделий: неполная проработка бетонной смеси в нижней части конструкции (образование пустот) и оседание свежеуложенного барьера под влиянием вибраций.
В связи с этим важными и актуальными являются исследования, направленные на повышение качества бетонных конструкций, сооружаемых методом непрерывного формования в скользящей опалубке.
Для решения возникших проблем предложена технология, позволяющая получать бетонные смеси, имеющие осадку конуса 4…6 см, сроки загустевания в пределах 30…40 мин, с быстрым набором пластической прочности, обеспечивающей сохранение формы и размеров конструкции после схода опалубки и высокое качество готовых изделий. Технология включает использование комплексной добавки, обеспечивающей высокую пластификацию бетонной смеси и регулируемые сроки загустевания и оптимальный режим виброуплотнения бетона. В качестве одного из компонентов разработанной комплексной добавки использовался поташ.
На основании анализа литературных источников и выполненных ранее исследований, предложена и экспериментально подтверждена теория о 3-х стадийном твердении цементов в растворах поташа при положительных температурах. Согласно предлагаемой гипотезе твердение цемента в присутствии поташа можно разделить на три стадии, во время которых протекают следующие процессы.
На первой стадии, после затворения цемента раствором добавки поташа, начинается взаимодействие минералов цемента не только с водой, но и с растворённым в ней поташом. В результате среда получающегося раствора становится более щелочной, возрастает скорость растворения минералов цементного клинкера, и жидкая фаза быстро пересыщается продуктами гидратации. Это приводит к образованию большого количества зародышей новообразований во всём объёме твердеющей системы. В этой ситуации расстояния между зародышами становятся такими, при которых начинают действовать ванн-дер-ваальсовы силы межмолекулярного взаимодействия, ведущие к флокуляции, и приводящие систему в коагуляционное состояние, которое фиксируется, как схватывание цементного теста.
На второй стадии одновременно протекают два процесса: с одной стороны продолжается гидратация и твердение цемента; с другой стороны происходит распад соединений, образовавшихся при взаимодействии минералов цемента с поташом. В частности, арагонит – нестабильная фаза карбоната кальция, видоизменяется до тригонального кальцита. Трансформации арагонита в кальцит сопутствует увеличение объёма минерала. Такая метаморфоза карбонатов и других соединений, содержащих СО32-, в сформировавшейся структуре цементного камня приводит к возникновению в нём внутренних напряжений и его частичному разрушению. Протекающие на этой стадии одновременно два процесса – структурообразование, при продолжающейся гидратации цемента, и деструкция ранее сформировавшегося цементного камня, имеющего в своей структуре соединения, содержащих СО32-, приводят сначала к замедлению, а затем к прекращению роста прочности твердеющего цементного камня. На этой стадии, вследствие небольшого количества поташа по сравнению с массой портландцементного клинкера, весь поташ прореагирует с минералами цементного клинкера и произойдёт распад основной массы соединений, образовавшихся при взаимодействии минералов цемента с поташом.
На третьей стадии заканчивается распад арагонита и других нестабильных соединений, образовавшихся при реакциях минералов цементного клинкера с поташом, и продолжается гидратация и твердение цемента. В связи с этим возобновляется рост прочности цементного камня, замедляющийся к 28…56 суткам твердения. Деструктивные процессы, имевшие место на второй стадии твердения, оказывают негативное воздействие на прочность цементного камня, не только замедляя темп роста прочности, но и снижая конечную прочность затвердевшего цементного камня. Однако абсолютная величина снижения является незначительной и не оказывает существенного влияния на конечную прочность бетона.
Проведенные исследования с использованием стандартных методов, электронно-растровой микроскопии и рентгенофазового анализа, подтвердили справедливость предложенной гипотезы. Исследования тепловыделения, проводимые на цементных пастах и на бетонных смесях, также подтверждают предложенную гипотезу. Форма температурных кривых на графиках четко показывает все три стадии, приведенные в предлагаемой гипотезе.
Первая стадия соответствует первому температурному пику. В этот период наблюдается интенсивное растворение и образование минералов цемента не только с водой, но и с растворённым в ней поташом, сопровождающееся интенсивным тепловыделением. Вторая стадия характеризуется снижением тепловыделения, так как, с одной стороны продолжается гидратация и твердение цемента; с другой стороны происходит распад соединений, образовавшихся при взаимодействии минералов цемента с поташом. Третья стадия характеризуется повышением температуры до максимальных значений, вследствие окончания распада нестабильных соединений, образовавшихся при реакциях минералов цементного клинкера с поташом, и продолжается гидратация и твердение цемента.
Исследования, проведенные при моделировании реального рабочего процесса формования бетона, показали идентичность характера графиков изменения температуры цементных паст и получаемых бетонов. Этот факт указывает на возможность исследования влияния комплексной добавки на цементных пастах, что позволит сэкономить время и материалы.
Предложенная гипотеза подтверждается исследованиями набора пластической прочности образцов цементного камня в начальные сроки гидратации. Результаты исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Изменение прочности образцов цементного камня с добавкой поташа и
суперпластификатора С-3 (0,6% массы цемента для всех смесей)
Поташ, % массы цемента |
Прочность, МПа |
|||||||||||||||
Время твердения, мин. |
||||||||||||||||
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
105 |
120 |
150 |
165 |
180 |
210 |
240 |
300 |
420 |
540 |
660 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,1 |
0,1 |
0,2 |
0,35 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,5 |
0,6 |
0,6 |
0,7 |
1,5 |
2,5 |
4,2 |
6,3 |
10,1 |
14,8 |
19,9 |
22,1 |
24,0 |
1 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,7 |
2,9 |
4,5 |
6,7 |
10,5 |
15,3 |
20,1 |
21,7 |
22,5 |
2 |
0,3 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,6 |
2,8 |
4,5 |
6,8 |
10,6 |
15,2 |
19,9 |
21,0 |
21,4 |
В работе проводилось определение соотношения и количества компонентов комплексной добавки и влияния добавки на свойства бетонных смесей. Выполненные исследования показали, что смесь, отвечающая необходимым требованиям (удобоукладываемостью ОК= 4…5см и временем загустевания не ранее 30 минут и не позднее 45 мин), может быть получена при использовании комплекса химических добавок: суперпластификатора С-3 в количестве 0,6…0,65% массы цемента и поташа в количествах менее 0,5% массы цемента. В результате экспериментальных подборов установлена зависимость сроков загустевания бетонных смесей от количества вводимой добавки поташа (рисунок 1), на основе которой подобранны бетонные смеси отвечающие поставленным требованиям. Исследование влияния комплексной добавки на свойства бетонных смесей и бетонов приведено в таблице 2.
Рисунок 1 - Зависимость сроков потери подвижности бетонных смесей от количества вводимой добавки поташа
Таблица 2 - Свойства бетонов, полученных по разработанной технологии изготовления
железобетонных барьерных ограждений методом скользящей опалубки
№ сос-тава |
Количество добавки, % массы цемента |
Содержание компонентов в добавке, % |
Сроки загустевания, мин. |
Осадка конуса, см |
Предел прочности, МПа в возрасте, сутки |
||||
С-3 |
Поташ |
||||||||
1 |
3 |
7 |
28 |
||||||
1 |
0,8 |
71 |
29 |
115 |
5 |
23,1 |
33,4 |
40,1 |
52,3 |
2 |
0,85 |
70,6 |
29,4 |
105 |
4 |
24,5 |
38,3 |
42,8 |
52,6 |
3 |
0,95 |
63 |
37 |
30 |
4,5 |
29,7 |
42,5 |
48,4 |
55,6 |
4 |
0,96 |
62,5 |
37,5 |
29 |
4 |
29,9 |
42,9 |
48,9 |
56 |
5 |
0,97 |
62 |
38 |
27 |
4 |
28,8 |
41,7 |
44,2 |
53,5 |
6 |
1,1 |
60 |
40 |
15 |
3,5 |
26,3 |
35,4 |
39,4 |
50,3 |
7 |
1,1 |
54,5 |
45,5 |
4 |
4 |
27,9 |
37,1 |
41,5 |
50,1 |
8 |
1,6 |
37,5 |
62,5 |
4 |
4 |
26,5 |
35,8 |
39,3 |
50,2 |
9 |
2 |
33,1 |
76,9 |
4 |
3,5 |
26,2 |
35,3 |
39,5 |
50,2 |
10 |
2,3 |
13 |
87 |
4 |
3 |
24,1 |
24,9 |
30,6 |
51 |
11 |
0,5 |
100 |
--- |
180 |
5 |
--- |
--- |
--- |
--- |
На основании положительных результатов подбора состава бетона, стендовых испытаний и лабораторного моделирования было проведено производственное бетонирование 20-ти метрового дорожного ограждения на объекте строительства автомобильной развязки через МКАД «Вешняки-Люберцы». Изготовленное ограждение имеет высокую точность размеров и хорошее качество. Результаты испытания бетона дорожного ограждения представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Сводные результаты испытаний бетона
Прочность бетона, МПа через, сутки |
Средняя плот-ность, кг/м3 |
Морозостой-кость F300 в солях, потеря прочности, % |
Время загусте-вания, мин |
ОК, см |
Среднее отклонение от геометрических размеров, % |
|||
1 |
3 |
7 |
28 |
|||||
28,2 |
38,7 |
45,1 |
49,5 |
2386 |
- 3,9 |
29...31 |
3,5...4 |
0,4 |
Выводы
1. Предложена технология бетонирования методом непрерывного формования в скользящей опалубке, позволяющая получать бетонные смеси, имеющие осадку конуса 4…6 см, сроки загустевания в пределах 30…40 мин, с быстрым набором пластической прочности, обеспечивающей сохранение формы и размеров конструкции после схода опалубки и высокое качество готовых изделий.
2. Разработана комплексная добавка для бетонных смесей, обеспечивающая реализацию предложенной технологии.
3. Предложена и экспериментально подтверждена теория о 3-х стадийном твердении цементов в растворах поташа при положительных температурах.
Литература
1. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Моделирование реального рабочего процесса формования дорожного барьерного ограждения с применением бетонных смесей, включающих добавку поташа в качестве ускорителя твердения. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 257. М., ОАО ЦНИИС, 2010, - С. 65-80.
2. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследования реологических свойств бетонных смесей для изготовления дорожных барьерных ограждений методом скользящей опалубки. – Орел: 2010. ОрелГТУ. Вып. 2. –С. 67-72.
3. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Бетонирование в скользящей опалубке. –М., 2011 Автомобильные дороги. Вып. 6-7. - С.39-40.
4. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Технология изготовления дорожных барьеров методом скользящей опалубки. – Москва: Транспортное строительство. 2012. Вып. 1.