автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Регулирование структуры и свойств цементных систем путем перераспределения жидкой фазы

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОШБИЛЬНО -ДЖЯЩЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Юрий Эммавушгович

РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦШЖГНЫХ СИСТЕМ ПУТЕМ ПЕРЕРАШРЕДЕШШ ВДЮЙ ФАЗЫ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

-Автореферат'

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

МОСКВА 1990

' / / '

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожноы шстатуте на кафедре дорожно -строительных материалов.

Научный руководитель г лауреат Государственной премии СССР,

. доктор химических наук, профессор Ратинов В.Б. \

Официальные оппонента - доктор технических наук, профессор

Кунцевич 0.В.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шейнин A.M.

Ведушая организация - БИЩемент

Защита состоится "-Ж" 1990 г. в /О

заседании спедиализиротанного совета ВАК СССР К 05S.30.13 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-до-рожком институте по адресу: 125829, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-доролсного института. Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в ученый совет МАДИ. Телефон для справок 155-03-28.

Автореферат разослан "S6 " f-UkPb/bJt 1990 г.

¿и?

часов на

Ученый секретарь специализированного совета

Бессонова Л.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Расширение объемов строительных работ должно осуществляться одновременно с экономив! и рациональным использованием сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов. Это относится как к производству цементобетона, так и повышенно эффективности использования цемента. Однако возможности у разных цементов неодинаковы, в связи с чем применение их в бетонах приводит к различиям го ряду физико-механических характеристик.

Анализ, экспериментальных результатов и практика производства бетонных работ приводят к выводу, что на основе общепринятых стандартных оценок свойств батонов нельзя получить комплексную информацию, столь необходимую,для целей строительства. Многочисленными исследованиями установлено, что на цементах разных заводов, но практически одинакового минералогического состава можно, при прочих равных условиях, получить бетон с различными строительно-техническими свойствами. Различия начинают проявляться уяе на стадии приготовления бетонной смеси, когда наблвдавтся, например, несоответствия в ее пластичности-жесткости и водоотделении. Следует отметить, что структура и свойства цементных систем закладываотся на ранней стадии гидролиза и гидратации цемента, а процессы, происходящие в бетонных смесях до момента их формования, будут в дальнейшем определять свойства бетона.

Одной из особенностей цемента в этот период является его способность удерживать /отделять/ некоторое количество воды за-творения. С этим свойством цемента связаны процессы распределения жидкой фазы, в цементных системах, что, в свою очередь, сказывается на структуре формирующегося материала. Однако работ по данному вопросу недостаточно. Это связано прелде всего со сложностей его решения и многообразием определяющих этот вопрос факторов. Проблема может быть решена только с учетом комплексного изучения строительно-технических свойств цементов и материалов на их основе, что весьма актуально, так-как позволяет прогнозировать и регулировать свойства цементных систем.

Делыз диссертанта является изучение влияния водоудерживающей способности различных цементов на строительно-технические свойства цементных систем с .разработкой технологических приемов, обеспечивающих их направленное регулирование я повышение эффе-~1 ' 1_;

ктивности использования цементов путем воздействия на жидкую фазу.

Научная новизна работы:

- установлены количественные зависимости между свойствами цементных систем и способностью цементов удерживать воду, что позволяет регулировать строительно-технические свойства материала; чч

- исследованы метода регулирования водоудерживающей способности цемента за счет изменения вещественного состава цемента и показано, что водоудерживающая способность цементов зависит от объема образующихся коагуляционных структур, а также от количества образуемого эттрингита и размеров его кристаллов; .

- показана возможность направленного изменения водоудерзива-ющей способности цементов за счет введения поверхностно-активных веществ и путем кратного водозатворения цементных систем для цементов, различного химико-минералогического и вещественного состава;

- выявлено, что прочность бетона на цементах с близкими значениями активности определяется водоудеряивавдей способностью цемента;

'- установлена зависимость эффекта пластификации бетонных смесей от особенностей распределения гадкой фазы;

- показано, что подвижность бетонной смеси определяется особенностью распределения жидкой фазы в материале;

- уточнено влияние различных технологических приемов, позволяющих воздействовать на распределение жидкой фазы в цементных системах, регулировать строительно-технические свойства цемен-тннх систем, повышать эффективность использования цемента.

Практическая ценность работа заключается в следующем: -

- разработан метод определения водоудеркивавдей способности цементов;

- разработаны рекомендации по регулированию водоудерживашцей способности-цемента за счет применения пластифицирующих добавок, кратного водозатворения цементных систем, изменения вещественного состава цемента, многократного повторного вибрирования; .

- разработаны предложения по прогнозированию прочности и направленному регулированию- свойств цементных систем путем перераспределения жидкой фазы;

- внесены предложения по разработке ряда нормативно-техни-.2..: :..

ческюс документов.

Реализация. Результаты исследований использованы, и внедрены при разработке Изменения 1 к ГОСТ 10180-78* "Бетоны. Методы определения прочности на -сжатие и растяжение"; СНиП 5.01.23-33 "Типовые нормы расхода цемента для приготовления бетонов, сборных и монолитных бетонных, железобетонных изделий и конструкций"; СНиП 2.03.01-64 "Бетонные и железобетонные конструкции" в части п.2.2; ТОСТ 18105-86 "Бетоны. Правила контроля прочности" в части п.2.6; проекта ГОСТ "Бетоны. Методы прогнозирования прочности"; "Инструкция по эксплуатации жилых зданий в Северной климатической зоне" Миняшлкомхоза РСФСР, 1986 г. в части раздела 2 /п.2.23 и приложения 13,14/; "Рекомендации по применению'бетонов на' алинитовом портландцементе для. устройства оснований- автомобильных дорог" ГшдродорНШ Минавтодора РСФСР, 1986 г.; при . производстве, монолитного бетона в ПО. ."МосшшЗетон" ВСО "Мосинж-строй"; при возведении монолитных оснований и покрытий транспортных сооружений в.в/ч 89515. Экономический эффект составил свыше 1,3 млн рублей.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на ХХХУШ - ХЦШ научно-исследовательских конференциях МАДИ /Москва, 1980-1990 гг./, на УП Всесоюзном совещании дорожников /Балашиха, 1981 г./, на научно-технической конференции "Развитие и совершенствование заводской, технологии производства сборного железобетона" /Москва, 1981 г./, на Второй отраслевой научно- ■ практической конференции "Экономия материальных и топливно-энергетических ресурсов,, совершенствование заводской технологии . производства сборного железобетона" /Москва,.1983 г./, на Четвертой. Всесоюзной конференции "Управление структурообразованием и свойствами дорохннх бетонов":;/Харьков, 1933 .г./, на X и ХП научно-теоретических конференциях молодых ученых и специалистов НШЦемента /Подольск, 1986, 1988 гг./, на научно-техническом семинаре "Интенсификация инженерного строительства" в МДНТП /Москва, 1987 г./, на ТЕ Всесоюзном научно-техническом советам нии по химии и технологии цемента "Наука - производству" /Черкесск, 1988 г./, на Пятой республиканской конференции "Ресурсосберегающие, технологии, структура и свойства дорожных бетонов" /Харьков, 1989 г./, на научно-техническом семинаре "Перспективы развития московского строительства" в ВДНТП /Москва, 1989 г./, на Республиканской научно-практической конференции .

"Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов" /Алма-Ата, 1990 г./.

Материалы диссертационной работы были представлены на ВДНХ СССР в 1967 году /бронзовая медаль/, на конкурс Центрального правления НТО автомобильного транспорта и дорожйого хозяйства в 1984 году /вторая премия/.

Публикации .Основные результаты выполненныхчйсследований изложены в 17 публикациях, по материалам работы получено одно авторское свидетельство.

Объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников - 176 наименований и приложений. Основная часть изложена на на 120 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 37 таблиц.

Работа выполнена на кафедре дорожно-строительных материалов Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ литературных данных показывает, что в цементных системах наблюдается неоднородное распределение жидкой фазы, что обусловливает проявление анизотропии свойств материала. С. исследованиях, направленных на изучение причин, вызываниях расслоение цементных систем, отмечается ведущая роль водоотделе-ния цементов. Исследованием этого вопроса занимались как в нашей стране., так к за рубежом /Ю.М.Бутт, Ю.М.Баженов, Г.И.Горчаков, %.М.Гру]шво, П.А.Ребнндер, М.З.Симонов, В.В .Стольников, С .В .Шестоперов, В.Й.Юнг, Р.Лермит, А.М.Невиль, С.Попович, Т.С.Пауэрс. Ю.Сторк/. Однако каких-либо количественных зависимостей между свойствами цементных систем и способностью цемента' отделять воду не было установлено, так как выявленные закономерности имели качественный характер, что не позволило достаточно полно использовать имеющиеся литературные данные для регулирования свойств материала.

В работах И.В.Ахвердова, Ю.Ы.Бахенова, Г.И.Горчакова, И.М. Грушко, Ф.М.Иванова, О.В.Кунцевича, O.S. Мчедлова-Петросяна, В.Б.Ратинова, П.А.Ребиндера с сотрудниками, А,В.Саталкина, Б.Г.Скрамтаева, А.Е.Шейкина, С.В.Шестоперова и других показано, что при регулировании свойств бетонных смесей и бетонов следует применять комплексный подход, при котором наиболее полно Смогут быть использованы потенциальные возможности материала -и -4 , , .

з первую очередь - цемента. При этом возникает необходимость в': расширении сведений о строительно-технических свойствах этого материала.

Исходя из анализа состояния вопроса и дали работы, были решены следующие задачи:

- установлено влияние различных факторов на водоудернивавщую способность цемента;

- выявлены особенности распределения жидкой фазы в цементных системах;

- выявлена роль водоудеряжваязщей способности цементов в вопросах, связанных с водопотребностью цементных систем;

- оценена роль водоудерживающей способности цементов в Формировании свойств бетонных смесей и бетонов;

- изучено влияние фактора времени, на формирование бетонных смесей и разработан, способ, прогнозирования прочности бетона;

- рассмотрены особенности изменения свойств бетонов за счет многократного повторного вибрирования;

- изучены особенности перераспределения кидкж фазы в цементных системах за .счет применения поверхностно-активных веществ;

- выявлено влияние условий твердения на формирование технических свойств сЗетонов при использовании различных цементов; _ ■

- разработаны приемы, позволяющие регулировать распределение жидкой фазы в цементных системах;

- результаты исследований апробированы в производственных . условиях и даны рекомендации по их реализации в практике строительства.

Для сопоставления полученных результатов с литературными данными и нормативными требованиями в работе использовались стандартные методики. Для изучения физико-химических процессов струтстурообразоЕания применены методы дифференциальной' контрак-тометрии, седашентационный анализ, измерения пластической прочности цементных систем и микротвердости. Фазовый состав исход-, ных .материалов и продуктов .реакций определялся с помощью дифференциальной теркогравиыетрнн и электронной микроскопии. Параметры порового пространства цементных систем определялись по кинетике водонасыщения, на оптическом микроанализаторе "Эпиквант",. с помощью дифференциального контрактометра НИЖГРИ.

Для определения водоудерживалщей способности фии разработаны методы исследования, основанные на методиках ГОСТ 310.6-85

Г " ' ' 5

и вкдичавше определение этого показателя как в статических, так и в динамических условиях при различных водоцементных отношениях, а также с помощью разработанной автором установки, что. позволяет моделяровать процессы, происходящие при сооружении це-ментобетонных дорожных покрытий.

Для механических испытаний бетона применялись форма для приго-тавления образцов-кубов конструкции МАДИ, позволяющие работать с коэффициентом вариации прочности бетона 1,5%,

Обработка экспериментальных данных осуществлялась матиматико--статистическиш методам, в том числе методом регрессионного и корреляционного анализа.

В экспериментальной работе использовались цементы промышленного изготовлений с содержанием минерала С3А от 2 до 12%, чисто-клинкерные цементы и цементы с содержанием трепела, опоки, туфа, шлака от 5 до 20%. Роль галса в цементе изучалась на цементах лабораторного-школа. Всего в работе было использовано 75, различных цементов, изготовленных из. клинкеров 30-ти цементных заводов. Использованные- цементы представляют большую часть видов и марок цементов, выпускаемых в нашей стране. '

В качестве заполнителей .использовался щебень из карбонатных пород и речной песок, удовлетворяющие.требованиям стандартов. ... Поведеш^цешнтшх-систем изучалось.с добавками ПАВ /лигносуль-' фонат технический fid)', суперпластификаторы С-3 O0-a3",v воз- ' _ духововлеказощая добавка СНВ/.

При рассмотрении теоретических аспектов водоудержкванцей способности цементов в ходе работы было выявлено, что, в'соответствии с ГОСТ 310.6-85,.при В/Е=1,0 наблюдалась сегрегация цемента, по зерновому составу. Показано, что наиболее информативной характеристикой водоудерживающеЁ способности цемента является В/Ц . предельное / В/Ц /цред . при котором перестает визуально фиксироваться отделение жидкой фазы. Было установлено, что водоудер-.." кивающая способность цемента определяется величиной исходного водоцементного отношения / В/Ц /исх . По мере уменьшения . / В/Ц /исх снижается скорость оседания суспензии и уменьшается относительный объем удерживаемой жидкости.

Объяснить различия в водоудержании при неодинаковых значениях / В/Ц /всх только степенью свободного перемещения частиц цемента нельзя. В этом случае при вибрационном воздействии на систему возникает возможность горизонтального перемещения частиц, -б'---

Это должно нивелировать относительное водоудержание при разли- • чных водовякущих отношениях, что в опытах не наблюдалось. Из этого следует, что влияние величины / В/Ц /ИС1 сказывается на физико-химических процессах, происходящих в системе. При снижении значений / В/Ц /исх до некоторой величина / В/Ц /цред . отмечается седиментационная устойчивость система. Однако, отсутствие слоя отделившейся воды над поверхности суспензии еще ке является свидетельством гомогенности материала» так как при данном водоцеглентном отношении также наблюдается дифференциация водоцементного фактора по высоте столба суспензии. Такое расслоение материала отмечалось до значений В/Ц, сопоставимых со значениями нормальной густоты цемента.

Имеющиеся методики определения водоотделенпя цементов- и цементных систем не учитывают времени от момента затворения материала водой до начала испытаний. Опытами, проведенными на ряде цементов,бнпо показано, что время выдерживания смеси до начала испытаний сказывается на значениях водоудеркивгзцей способности цементов. Полученные результаты показали, что выдержка смеси в течение 15-30 минут достаточна для формирования структура, определяющей водоудерживавду» способность цемента, так как за это время: происходит процесс стабилизации системы и дальнейшая выдернка практически не изменяет водоотделение.

По-разному происходит отделение жидкой фазы в замкнутом и открытом контуре. При исключении водонепроницаемого слоя и обеспечении свободного оттока жидкой фазы вниз наблюдаются значительные различия в перераспределении ее в объеме материала. При дренирующем подстилающем слое может быть обеспечено значительно меньшее водоудержаяие в системе.

Установлено, что процесс водоотделеняя, при прочих равных, условиях, связан с химико-минералогическим и вещественным составом цемента. Значительное влияние на водоотделение оказывает минерал С3А, свойства которого детально изучены Ф.М. Ивановым, Т.В. Кузнецовой, Г.Ю. Любимовой, C.B. Шестояеровым, Б.Э. Юдовичем и др.-В связи с этим несомненный интерес представляет та' роль',- которую играет в цементных системах добавка гипса.

Известно, что гипс является- не только регулятором сроков схватывания цемента, но и водораспределяшцей добавкой. Проведенные исследования показали, что при введении гипса водоудер-живавщая способность цемента снижается. Введение различных мо-

дификации сульфата кальция не влияет на характер изменений водо-удеряивающей способности цемента /рис.1/. Минимальное водоудер-

__ яание отмечалось при такой дозировке гипса, когда в результате взаимодействия с минералом С3А отмечается возрастание количества мелкокристаллического эттрингита. Его образование, особенно при большом разбавлении системы,не может обеспечить создание сплошной структуры в материале. При дальнейшем повышении содержания сульфатов в цементе наблвдалось возрастание его водоудерживагацей способности. Это связано с формированием в объеме цементно-во-дной суспензии крупных кристаллов, вызывающих создание жесткой структуры материала, не допускающей протекание седнментационно-го-уплотнения системы.•

Введение минеральных добавок: опоки, трепела, туфа вызывает увеличение водоудерживагацей способности цемента, а добавка гранулированного доменного шлака не влияет на этот показатель.

Образование эттрингита на ранних стадиях гидратации определяется Еодоцементным отношением. Так, ДТА, выполненный для цемента: Николаевского цементного завода, через 5 минут после за-творения водой показал повышение количества эттрингита, которое для В/Ц = 0.3, 0.4 и 0.5 составило, соответственно, 1.4, 1.5 и 1.7 %.

Исследования частично гидратированного цемента после .опыта на водоотделенге при исходных Б/Ц, равных, соответственно, 1.0 и 0.6, также позволили выявить некоторое увеличение количества эттрингита в верхних слоях суспензии. Это объясняется • повышенными значениями В/11, имеющими место в этой зоне, и выносом растворенного вещества вместе с водой в процессе седи-ментационного оседания.

Система "цемент-вода" рассматривалась как концентрированная цементно-водная суспензия, в качестве дисперсной фазы в ко-!_ торой выступают индивидуальные зерна цемента. Такая дисперсная

содержание 20,3,1:

2- са5о4-0.5н2о

3- СА£04

Рис. 1.

фаза характеризуется высокоразвитой поверхностью, что обусловливает значительный избыток свободной энергии. В связи с этим такая система должна характеризоваться термодинамической неустойчивостью. Устойчивость может быть достигнута либо за счет уменьшения поверхности дисперсной фазы, либо за счет снижения поверхностного натяжения дисперсионной среды, в том числе при применении ПАВ. Так как зерна цемента имеют размер, соответствующий критерию агрегируемости, процессы коагуляции зерен цемента могут обеспечить стабилизацию цементно-водюй суспензии. В связи с этим немедленно после затворения цемента водой происходит процесс коагуляции. Поэтому систему "цемент-вода" следует рассматривать как систему, в которой в качестве .дисперсной фазы выступают фдокулы из зерен цемента размером до 80 мкм и более. Последние характеризуются высокой когезионной прочностью, что позволяет рассматривать их как индивидуальные частицы. Строение указанных флокул из зерен цемента, а также свойства цеме-нтно-водной суспензии будут определяться водоцементным отношением в момент затворения системы.

Если при увеличении количества воды затворения, при снижении концентрации твердой фазы в системе, флокулы не разрушаются, то это должно привести к снижению седиментационной устойчивости системы. Этил объясняется эффект порционного /кратного/ водозатво-рения цементных систем.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что в результате кратного водозатворекЕЯ цементного теста значительно снижается Еодоудеряивавдая способность цемеата. При этом эффект от такого водозатворения связан только с величиной первой порции воды затворения и не зависит от количества, способа и времени введения второй порции.

. Двухкратное загворение цемента водой приводит к увеличению во-доотделения свежего цемента /п.п.п. не более и цемента с оптимальной дозировкой гипса. Испытания одного и того же цемента, :ю_ с различными показателям п.п.п. позволили зафиксировать отсутствие влияния кратного введения воды затворения на водоудер-яиваюшую способность "лежалого" цемента. В некоторых случаях наблюдалась даже обратная картина, когда такое водозатворение способствовало повышению седиментационной устойчивости цементно-Еод-ной суспензпи. Увеличение водоудерживающей способности цемента с повышенным содержанием гипса при кратном водозатворении связано L J "

с тем, "что избыток гипса приводит к преждевременной рекристаллизации эттрингита или образованию вторичного гипса. Это аналогично для "лежалого" цемента, когда на первом этале гидролиза и гидратации эттрингит практически не образуется из-за отсутствия С3А в действующем составе "корродированных"зерен цемента.

Для выявления влияния ПАВ на величину водоудерживащей способности цемента были проведены работы на различных портландцемен-тах. \ ^

Исходя из характера изменения водоудерживащей способности цемента в присутствии добавки ЛОТ, все цементы могут быть разделены на три условные группы, В первой группе при малых дозировках добавки наблюдалось заметное возрастание водоудерживаю-щей 'способности цемента. Во второй группе при малых дозировках добавки /менее 0,25^ от массы цемента/ наблюдалось постоянство . водоудерживащей способности. Для цементов третьей группы характерно резкое снижение водоудерживащей способности при введении любых дозировок добавки. При этом имеется тенденция к увеличению содержания С3А в цементах при переходе от первой группы' к третьей. Введение добавки ЛСТ обеспечивает повышение водоудерживащей способности цементов первой группы лишь в определенном интервале дозировок добавки. Повышение дозировки добавки приводит к адсорбционному блокировании мест возможных контактов, в результате чего преобладает эффект стабилизации, и объем осадка уменьшается, несмотря на увеличение дисперсности твердой фазы. Для второй и в большей степени для третьей группы цементов снижение их водоудерживащей способности наблюдается уже при малых дозировках добавки.

Иная картина наблюдается в случае введения супершгасткфика-торов в цементные системы. При дозировках СП в пределах до 0,20$ от массы цемента увеличивается количество отделившейся жидкости. При больших дозировках это не наблюдается, вследствие того что мелкие частицы цемента находятся в седиментационном равновесии. Воздухововлекатаая добавка СНВ не оказывает влияния на величину водоудерживащей способности цемента.

Введение гидрофильной добавки приводит к снижению поверхностного натяжения цементно-водной суспензии, что повышает стабильность системы и исключает процесс коагуляции твердой фазы. Это происходит и тогда, когда опыты по кратному водозатворению проводились либо на пластифицированных цементах, либо пласти-10;

фицирующая добавка вводилась с первой порцией воды затворения.' ■ Эффект от двухкратного водозатворения, выражающийся в снижении водоудерживавдей способности цемента, сохраняется в случае введения ЛСТ со второй порцией вода при любых дозировках добавки. Введение всей добавки П.АВ со второй порцией воды затворения на заранее обводненнув поверхность приводит к возрастанию эффекта пластификации.

Реологические характеристики -различных цементных систем, связаны с особенностями распределения жидкой фазы в материале. В ряде случаев при определении нормальной густоты цементного теста наблюдается отделение жидкой фазы. Исходя из этого был сделан вывод, что "истинное" значение водоудеркивавдей способности цемента имеет место при значениях близких, но не равных показателю нормальной густоты цементного теста. В связи с этим была вццзшута гипотеза, что "истинное" значение водоудерживавдей способности цемента пропорционально тому значению водоудержи-Бащей способности цемента, которое можно зафиксировать в опыте, т.е.

ФудТ = к * (Ц}уд * / 1 I'

гдо К. - коэффициент пропорциональности.

Если считать, что нормальная густота цемента позволяет получить в реологическом плане одинаковые материалы, то чем большее различие будет наблюдаться медцу величиной нормальной густоты цемента и его "истинной" водоудеркивающей способностью, тем в бсльией степени это будет отражаться на реологических характеристиках цементных систем. Кроме того, последние должны определяться содоряакдем несвязанной вода в цементной системе.

Исходя из этого модно записать:

"ычгф'»« /2/.

где 5 - показатель, характеризующий реологические свойства цементных систем /для цементного раствора - расплыв ко... нуеа, для бетонной смеси. - осадка конуса/; ■ ■ - Зсв-количество несвязанной воды з системе, определяемое

как ' . ■ ■ .__

Всв. = В - ФуГ * Ц - В8 * 3 , / 3 /

где В - водопотребность цементной системы; ' ,Вд_водопотребность заполнителей; Ц и 3 - количество цемента и заполнителя.

Если между факторами в выражении /2/ имеется линейная связь, получаем:

+ а^Сфру -НГЗ + а2.^Всв / 4 /

-

На основании экспериментальных данных, полученных при испытании, цементного раствора состава 1:3 и бетонной смеси состава -1:1.6:2.4?по методу регрессионного анализа были получены параметры модели /4/. Полученные модели адекватно описывают реологические характеристики цементного раствора и бетонной смеси. Коэффициенты мнокествениой. корреляции составили соответственно 0 ,971 и 0,945, Г - критерий - 134,2 и 38.9, что превышает табличные значения.

В результате этого удалось определить ориентировочное значение, коэффициента пропорциональности мевду "истинным" значением водоудерживащей способности цемента и величиной, фиксируемой в опыте. Оно составило 0,40 - 0.41.

Ддя выявления влияния водоудерживавдей способности цементов на формирование строительно-технических.свойств цементных систем были проведены испытания образцов-кубов, изготовленных из бетонной смеси марки удобоукладываемости Ш, состава 1:1.6:2.4 при В/й=0.45*0.50. В качестве вяжущих, были использованы цементы четырех цементных заводов, характеризующиеся различными. значениями водоудерживащей способности. .Из полученных данных следует, что на 28-е сутки твердения име'ётся зависимость:

: к:*ФУЛу>, ' - 75

где ■ Их и - значения прочности бетонных образцов на снатие е случае приложения нагрузки перпендикулярно и параллельно слоям укладки бетонкой смеси.. В связи с этим показатель водоудергива-ющей. способности цемента можно рассматривать как меру внутреннего расслоения бетонной смеси.

Для исследования процесса внешнего расслоения бетонных смесей были проведены испытания: образцов-балок аналогичного состава на прочность при растяжении при.изгибе, В процессе испытания балки .12..; "............."

'ориентировались затирочной гранью соответственно вверх, в боковую сторону и вниз-по- направлению действия нагрузки. В данном случае также прослеживалась зависимость различий прочности бетона от водоудерживающей способности цемента.

По мере снижения водоудерживающей способности цемента увеличивалась макропористость бетона, вследствие чего возрастали дефекты в материале, приближаясь по размеру к критическим, обусловливая разрушение материала.

Для изучения влияния Еодоудерживающей способности цемента на прочность бетона, в связи с ее влиянием на дифференциальную .пористость, были проведены испытания двух серий бетонных образцов, изготовленных из бетонных смесей марок по удобоукладываемости соответственно П1 и Д2,.составов 1:1.64:2.88 с расходом.воды 180-213 л/м3 и 1:2.78:4.07 с расходом воды 186-210 л/м3.

На основании полученных результатов испытаний образцов бетона на.прочность.при сжатии в возрасте. 3,..7 и 28 суток определя- . лась статистическая связь между.значениями прочности и активностью цемента, водоудерживающей способносью цемента иводоцемент-шм отношением в бетонной смеси. Из значений коэффициентов парной корреляции и параметров рассчитанной модели следует, что прочность бетона на 28-е сутки практически линейно определяется характеристикой водоудерживающей способности цемента. Корреляция составляет соответственно 0.82 и 0.91 для I и-П типов смеси /рис.2/.

55

С!?

И 50

«)

45

<0

*

о

43

«1

ч' г 35

о

н

о

ю ЗИ

.11

н

о о 25

г

т

о

с. с 20

1 1 1 л

^ - гхере-ыи тип смеси у - ьтсрой тип снеси

А Л А / X* ~ "'Л

V

*

V На

40 43 50 55 60 85 70 - еоэоуаерам&акщая способность цемента, у.

Рис.2

Что касается зависимости предела прочности бетона на сжатие от активности цемента и водоцементного отношения, то она характеризуется худпшш статистическими показателями. Прочность бетонов на сжатие на 3 и 7-е сутки обусловливается механическими характеристиками цементной матрицы. К марочному возрасту прочность цементной матрицы возрастает, в связи с чем на прочностных характеристиках бетона начинает сказываться текстурные параметры материала. Наличие горизонтально ориентированных пор под зернами крупного заполнителя становится сопоставимым с критическими размерами дефектов. Это позволяет объяснить наличие линейной зависимости прочности бетона, определяемой в возрасте 28 суток, от водоудерживающей способности цемента. При рассмотрении бетонных смесей на цементах с различной водоудерживаыцей способностью "основной закон прочности" бетона не может считаться правомочным. Исходя из этого, можно считать, что для бетона одного состава и цементов, характеризующихся близкими значениями активности, оказывается справедливой

зависимость вида: ____.____ _______, .

|% = а0 /6/

Таким образом, условно можно считать прочность бетона на сжатие линейно зависимой от параметра, характеризующего водоудержи-ващуго способность цемента. Из.этого следует, что чем большее количество воды удерживается цементом, тем, соответственно, меньшее количество воды остается в несвязанном состоянии и тем самым в меньшей степени проявляется эффект расслоения бетонной смеси и повышается однородность бетона.

В связи с этим большое значение на свойства бетонных смесей и бетонов должно оказывать перераспределение жидкой фазы в цементных системах. Так, в зависимости от условий производства бетонные смеси могут укладываться в конструкцию и подвергаться последующему уплотнению с некоторой зэдерглэдй. За это время в бетонной смеси изменяются показатели ее пластичности-жесткости. Исследования показали, что фактор времени при вылеживании бетонной смеси играет существенную роль в изменении строительно-технических свойств бетонной смеси и бетона. В процессе вылеживания происходит пептизация вяжущего, увеличение поверхности твердой фазы и связывание большого количества воды в системе. В первые часы в бетон- ■ ной смеси происходит значительное перераспределение жидкой фазы, направленное на снижение количества несвязанной воды, и в то же

время значительно ускоряется процесс отделения последней в ре- ' зультате седиментационных процессов, происходящих в материале. Вылеживание бетонных смесей до их формования в течение 4-х часов. приводит к заметному увеличению прочности бетона и его морозостойкости.

Одним из технологических приемов, позволяющих "перераспределить воду затворения я вовлечь в. процессы гидратации большее количество зерен цемента /при этой разрушается слабые коагуля-ционные структуры/, является многократное повторное, вибрирование. Этот технологический прием способствует увеличению прочности, бетона в раннем возрасте и ускоряет кинетику роста прочности.. Прочность образцов, подвергнутых, многократному повторному вибрированию, на 10-48$5 в зависимости от цемента, превысила значения прочности бетона, вибрируемого однократно. Следует отметить, что. отношение величин-водоудерживающей способности цемента, определенной в статическом режиме испытания и при вибрационном воздействии на систему, коррелирует с величиной изменения прочности бетона, формуемого при тех же режимах вибрирования. Возрастание значений прочности в результате повторного вибрационного воздействия на свегеуложенннй бетон вызвано удалением част-ти несвязанной воды из текстуры бетона. В то же вреьи морозостойкость бетона в ряде случаев несколько снижается, а разрушение образцов начинается с верхней затирочной грани. Это объясняется тем, что при "отборе" воды из основного массива_бетона вода скапливается в поверхностных слоях, что приводит к залетному ослаблению этой зоны материала в.случае , если отделяемая вода не. удаляется каким-либо способом. Таким образом, по значениям водоудерживаемой способности цемента, определяемой в статическом и.динамическом режимах,можно заранее прогнозировать эффект от многократного повторного вибрационного воздействия на бетон и назначать его режимы.

-. Использование пластифицирующих добавок в бетоне требует выявления. закономерностей их действия на цементные системы. Обусловлено это неадекватным действием добавок в случае их применения. при использовании различных цементов.

-Экспериментальные работы проводились на бетонных смесях с маркой по удобоукладываемости П1 без добавки и с добавкой ЛСТ в количестве 0,2% от массы цемента, обеспечивающих получение ' бетона прочностью 40 - 50 Ша. При этом величина прироста проч- - • .15;;

ности по сравнению с эталоном была различна и достигала 38$ г- •. при одновременном снижении расхода воды в пределах от 8 до 28 л/м3.

По значениям прироста прочности бетонов в результате пластификации и редуцирования части воды затворения все цементы можно условно разделить на. три группы: к первой группе относятся цементы, позволяющие при постоянном расходе добавки получить прирост прочности бетона более чем 20$, ко второй - 10-20/2 и к третьей - менее 10^. Распределение цементов по группам пластификации совпадает с характером изменения водоудержявающей способности, Установлено, что если при данной дозировке добавки наблюдается увеличение водоудеркивающей способности цемента,то это предопределяет повышение прочности бетона, снижение водоу-держания - исключение эффекта.от пластификации.по прочности. . Последнее, объясачется тем, что увеличение количества несвязанной воды, в бетонной смеси не шкет быть компенсировано редуцированием воды, в результате чего за'счет, снижения общей пористости материала количество ыакропор не уменьшается или даже гнаблюдается тенденция к их росту. Таким образом,- появление вн~ •сокого эффекта при шгастафакаднд можно ожидать, ..когда вьшолня-

•.е!с5_Т?.ловие: •'вбд £Д

сб св /

где.В^и В* - количество несвязанной воды соответственно в

СБ СВ

бетонной смеси без добавки пластификатора и с добавкой.

Это условие сохраняется и при использовании суперпластификаторов.

Лабораторные исследования свидетельствуют о том, что кратное введение воды приводит к повышению пластичности цементного раствора. Однако, замеры плотности материала по методу стандартного уплотнения /например, для цементогрунта/ показали неоднозначное -влияние кратного водозатворения на этот показатель. Эффект. от кратного водозатворения цементного раствора зависит от суммарного содержания воды в материале. Если суммарное.количество воды мало и смссь оказывается неудобоукладываемой, то снижение водоудеряиваюцей способности цемента за счет кратного введения воды приводит к увеличению плотности раствора и^как-следствие этого,к возрастании прочности. При избыточном суммарном количестве вода, в результате кратного водозатворения, • наблюдается значительное отделение несвязанной воды, что цри-•16; "

водит к разуплотнению материала и снижению его механических характеристик.

Особенности перемещения жидкой фазы в цементных системах определяются наличием водоупорного слоя, расположенного непосредственно под укладываемой бетонной смесью или раствором. Наличие' водоупорного слоя под монолитным бетонным покрытием /основанием/ вызывает отжатие "свободной" воды вверх, что в значительной степени ослабляет верхние слои материала, обусловливая их пониженную морозо- и химическую стойкость, прочность, склон- . ность к шелушению. При традиционных методах бетонирования наблюдается расслоение бетонной смеси с отяатием свободной воды в верхние слои.

. Б то же время работоспособность бетонных покрытий в значительной степени определяется трением по нижележащим слоям дорожной одежды. Б.целях снижения трения -принято устраивать выравнивающие слои, выполняемые либо из черного песка, либо из рулонного, гидроизоляционного материала» .

Проведенные исследования показали, что отсутствие нижнего водоупорного слоя исключает отжатие воды в верхнюю зонуи обеспечивает повышение прочности бетона за счет перераспределения нвдкой фазы.

Опыты по испытанию бетонных плат, уложенных в одном случае на водоупорный слой, а в другом случае на слой из нетканного синтетического материала "Дорнит" показали, что прочность бетона во втором случае возросла более чем на 25 Морозостойкость плиты,уложенной по второму способу, оказалась выше в' 1,7 раза и составила 500 циклов. В случае отсутствия водоупорного. слоя под укладываемой бетонной смесью наблюдается снижение во-досодержания на 20-25 л/м3, что соответствует снижению водоцементного отношения с 0.5 до 0.44. Эффективным технологическим-приемом в данном случае является и повторная вибрация бетонной смеси, которая позволяет снизить водоцементное отношение до 0.42, за счет чего.улучшаются физико-механические характеристики бетона. •

Одним из решающих этапов технологии, завершающих формировать структуры бетона, является уход за ним. Показано, что снижение прочности бетона, твердеющего в условиях с недостаточной влажностью окружающей среды, зависит от водоудерживающей способности цемента. Чем большее количество вода связывает цемент, • '• . .17..,

тем в большей степени пониженная влажность среда будет сказываться на прочности бетона. В этом случае также нескольно возрастает- усадка бетона. Связано это с тем, что бетон на основе цементов, характеризующихся повышенным водоудержанием, отличается большими значениями микропористости и испарением воды из микропор /капиллярная усадка/.

Таким образом, информация о водоудерживащей способности цементов связана с особенностями поведения их в бетонных смесях, бетонах и других цементных системах ж позволяет регулировать их структуру ж свойства, а также прогнозировать прочностные характеристики последних с точностью + 5-10 %. .

Изучение водоудерживащей способности цементов явилось одним их направлений разработки "Каталога основных строительно-, технических свойств цементов", который способствует.совершенствованию выпуска цементов.и бетонов с. гарантией их свойств.

Материалы исследований, содержащиеся в "Каталоге____использованы при .разработке ряда нормативных документов, в том числе

гост'^ао-уе35, снип 5.01.23-8з, см 2.03.01-8-1, гост 18105-86.

Экономический эффект составил 969,2 тыс. рублей..........

По результатам исследований были_проведены опытно-промышленные работы по строительству конструкций из монолитного бетона в ПО "Мосикабетон" и в/ч 89515, Было уложено 865 тыс. м3 бетона, экономия цемента составила 15,5 тыс. т, а экономический эффект - 349 тыс. рублей.

" общие вывода

1. Распределение жидкой фазы в цементных системах определяется способностью цемента удерживать воду и связано с физико-химическими процессами, протекающими в материале.'Выявлена роль химико-минералогического состава цемента и гипса. Снижение' ко-агуляционного водоудерзкания и увеличение водоотделения различными технологическими приемами способствует повышению строительно-технических свойств цементных систем только в случае отвода отделившейся воды из текстуры материала. В противном случае это'приводит к снижению однородности.материала, к его расслое-.нию и проявлению анизотропии свойств.

2. Реологические показатели свойств цементных систем определяются особенностью распределения жидкой фазы в материале. При 'этом они зависят ог содержания несвязанной вода в материале и показателя пластичности цементного теста, составляющего раз-18: ..... " ' "

кость между количеством воды! удерживаемой цементом, и значе- '■ ем нормальной густоты'цемента. Полученные математические-'модели адекватно' описывают 'зависимость .расплыва растворного конуса и осадки ко'куса'от указанных величин'..'.

3. Прочность бетона при сжатии' на* основе цементов' с" близкими значениями активности определяется водоудерживавдей способностью цемента. Коэффициент корреляции составляет 0.82 - 0.91. Это связано с повышением однородности материала и снижением количества ыакропор по мере увеличения водоудерживакщей способности цемента. При изменении последней на 20 % прочность возрастает на 25 - 40 %.

4. Формование бетонной смеси после ее вылеживания приводит к увеличению прочности бетона до 20 % при одновременном повышении его морозостойкости, что объясняется перераспределением жидкой фазы и отводом части несвязанной воды из текстуры бетона.

5. Направленное перераспределение жидкой фазы в бетоне за . счет применения многократного повторного вибрирования приводит к возрастанию прочности бетона до 45 %. При этом отмечается снижение морозостойкости бетона вследствие скопления воды в поверхностных слоях конструкции. По изменению величины 'водоудерживакщей способности цемента при вибрационном воздействии можно прогнозировать эффект от многократного повторного вибрирования бетона и назначать его режимы.

6. Эффект пластификации бетонных смесей на различных цементах определяется количеством несвязанной воды. Если при введении ПАВ количество несвязанной вода.возрастает, то эффект от пластификации значительно снижается. На этом основано предложенное' деление цементов на три группы. Регулирование и прогнозирование структуры и свойств цементных систем зависят от ис:-' пользования цементов той или игой грушш.

.. 7. Установлена в ряде случаев целесообразность жратного во-дозатворения цементных систем на стадии их приготовления. Эффективность этого технологического приема зависит от вещественного состава вяжущею и позволяет повысить подвижность смесей и прочность без увеличения расхода вяжущего.

8. Отвод части несвязанной воды затворения из бетонной смеси путем устройства водопоглощавдего /водоотводящего/ подстилающего слоя позволяет увеличить прочность материала на 25 % с одновременным повышением его морозостойкости почти в 2 раза.

.Отмечено значительное повышение морозостойкости верхних слоев, ' что особенно важно для бетона дорожных и аэродромных покрытий.

9. При твердении бетона в условиях пониженной влажности прочность его снижается пропорционально водоудерживавдей способности цемента. Потеря прочности достигает 40 %. Бетоны на цементах с низкой водоудерживаюцей способностью практически не реагируют на понижение влажности окружающей среды. Снижение прочности бетона в условиях с малой относительной влажностью обусловлено деструктивными процессами, связанными с возникновением внутренних напряжений в материале. Это подтверждается тем, что большей потере прочности соответствует большая усадка.

10. Результаты исследований нашли отражение в ряде нормативных документов, в том числе ГОСТ 10180-78*, СНиП-5.01.23-83, СНиП 2.03.01-84, ГОСТ 18105-86. Экономический эффект составил 969,2 тыс. рублей.

Проведенные опытно-промышленные работы по строительству конструкций из монолитного бетона в ПО "Мосинжбетон" и в/ч 89515 позволили получить экономический эффект в размере 349 тыс. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Васильев Ю.Э. Ускоренный метод оценки прочности цементов //Промышленность сборного железобетона: Научно-технический реферативный сборник. Серия 3,- М.: ВНИИЭСМ, 1982, выпуск 2. -С. 15 - 17.

2. Васильев Ю.Э. Значение метрологии в оценке прочности бетона //Промышленность строительных материалов: Экспресс-информация. Промышленность сборного железобетона. Серия 3.- М".: ВНШЭМС, 1983, выпуск 4. - С. 16 - 18. •

3. Васильев Ю.Э., Болдырев Г.А. Каталогизация цементов -основа их рационального использования в бетоне //Промышленность строительных материалов: Экспресс-информация. Промышленность сборного железобетона. Серия 3.- М.: ВНШЭМС, 1983, выпуск 4. - С. 47 - 49.

4. Шестоперов В.С., Васильев Ю.Э. Роль каталогизации цементов в вопросе регулирования свойств бетонов //Управление структурообразованием, структурой и свойствами дорожных бетонов: Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции. Харьков, 21 - 23 сентября 1983 г.- Харьков, 1983. - С. 128. 1_20; \ _

5. A.c. » 1194944 СССР МКИ E Ol С 7/24 Способ зимнего бетонирования /А.Ы. Богуславский, Ю.Э. Васильев, М.П. Киселева, А.Н. Головкин(СССР). - * 3718159/29 - 33, заявлено 02.04.84. Опубл. 30.11.85. Бпл.* 44.

6. Феднер Л.А., Васильев Ю.Э., Хлебников А.О. Метод оценки прочности бетона. - Информационный листок. - М.: НАДИ, 1986. - . 4 с.

7. Каталог основных- строительно-технических свойств бетонов. /Л.А. Феднер, Ю.Э. Васильев, Г.А. Болдырев и др./ - Информационный листок. - М.: МДО, 1986. - 4 с.

8. Васильев Ю.Э., феднер Л.А. Повышение однородности цемен-тобетонных оснований городских дорог. //Интенсификация инженерного строительства: Материалы семинара. -М.: МЛНТП, 1987, -

С. 97 - 100. ' ' '

9. Феднер I.A., Васильев Ю.Э. Формование бетонных смесей после их вылеживания. //Пути совершенствования технологии производства и повышения качества дорожно-строительных материалов: Сб.науч.тр. - И.: МАЛИ, 1967. - С. 91-94.

10. Васильев Ю.Э.", Ратинов В.Б., Феднер Л.А. Особенности распределения волы в цементных системах. //Пути совершенствования технологии производства и повышеяия_ качества дорожно-строительных материалов: Сб.науч.тр.- Ы.:. МАЛИ, 19674 - <5. 51 - 58.

11. Феднер Л.А., Васильев Ю.Э.ПЗовыйениеэффёктивности использования цемента в бетоне.'//Тезиса докдадоб ТЕ Всесоюзного научно-технического совещания по химии и технологии цемента. Труда НИИЦемента. Выпуск 95. - М.: НИЩемент, 1988, - С. 148-149.

12. Васильев Ю.Э. Роль водоотделения в формировании' свойств бетона в различных условиях твердения./Материалы научно-технической конференции мододых учёных я специалистов: Труды НИИЦемента. Выпуск 96. - ¥.: НИИЦекент,1938. - С. 60 - 61. ; Vе

13. Исследование Ш1астифяй,йрупдего эффекта химических-добавок в цементных системах /A.A. Федулов, А.И. Козловский, Л.А". Федиер, Ю.Э. Васильев //Технологическая прочность и трещиносто-йкость сборного яседраобетона: Сб.науч.тр. - М.: ВНИШелезобе-тон, 1988. - С. 135 - 141.

14. Эффективность пластифицирования бетонов на различных цементах /Л.Ф. Вагина, Л.А. феднер, В.Б. Ратинов, В,Э. Васильев // Технологическая прочность и трешиностойкость сборного

железобетона : Сб.науч.тр. - М.: ВНИИКелезобетон, 1988. -

J . 21

С. 216 - 221.

15. Васильев Ю.Э., Ратинов В.Б-., Феднер Л.А. Значение вояо-отделения в сформировании свойств цементных систем //Ресурсо-сбе-регашщие технологии, структура и свойства дорожных бетонов: Тезисы докладов республиканской конференции. Харьков 11 - 13 октября 1989 г. - Харьков, 1989. - С. 130.

16. Болдырев Г.А., Васильев Ю.Э., Шестоперов В.С. Строительно-технические свойства бетонных смесей и бетонов на различных цементах //Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов: Тезисы докладов республиканской конференции. Харьков 11 - 13 октября 1989 г. - Харьков, 1989. - С. 148-149.

17. Васильев Ю.Э. Особенности порционного водозатворения цементных систем //Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции. Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов. Секция 1. Перспективы технологии вяжущих, бетона и железобетона. - Алма-Ата, 1990. - С. 47.

18. Васильев Ю.З., Вахрушев П.В. Расчетно-экспериментальный метод прогнозирования прочности цементных систем //Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции. Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов. Секция 1. Перспективы технологии вяжущих, бетона и железобетона. - Алма-Ата, 1990. - С. 413.