автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Влияние отрицательных температур на твердение бетона с противоморозными добавками

На правах рукописи

КОСИНОВА АННА АНДРЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА С ПРОТИВОМОРОЗНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 2 8 НОЯ 2013

Белгород-2013

005541424

005541424

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Рахимбаев Шарк Матрасулович

Официальные оппоненты - Славчева Галина Станиславовна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежский Государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций»

- Юндин Александр Николаевич

кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», профессор кафедры «Строительные материалы»

Ведущая организация - ООО «Зика»

Защита состоится «П.» декабря 2013г. в 11- часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, отдел аспирантуры, тел. (4722) 55-95-78, факс (4722) 55-95-78, е-таН: aspir@intbel.ru

Автореферат разослан «8» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ^ ^ Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Дальнейшее экономическое и социальное развитие России требует постоянного совершенствования технологических процессов для повышения производительности и качества труда, снижения себестоимости продукции, сокращения сроков работ, экономного использования природных ресурсов.

Эти задачи особенно актуальны для строительной отрасли. Их значимость трудно переоценить для таких сложных и трудоемких процессов, как возведение монолитных бетонных и железобетонных конструкций. Технологические процессы строительной отрасли подвержены влиянию многих вероятностных факторов (изменяющиеся погодные и температурные условия, технические характеристики применяемых материалов и механизмов, виды конструкций, современные требования к конструкциям, их архитектурной выразительности и т.п.), что сказывается на эффективности возведения зданий и сооружений.

В последние годы отечественные и зарубежные ученые достигли значительных результатов в решении проблем зимнего бетонирования путем применения новых химических добавок, в том числе супер- и гиперпластифицирующих, на основе неорганических солей, не содержащих хлора, в сочетании с термоактивными методами выдерживания. Однако научно-техническая база технологических процессов зимнего бетонирования не всегда «поспевает» за достижениями практики, что делает актуальными дальнейшие изыскания в области управления процессами твердения вяжущих и бетонов на их основе при низких положительных и отрицательных температурах.

Диссертационная работа выполнена в рамках Государственной программы Российской Федерации «Обеспечение доступным и комфортным жильем и коммунальными услугами граждан Российской Федерации»; Федеральной целевой программы «Жилище» на 2011-2015 годы; программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2014 годы.

Цель работы: повышение качества зимнего бетонирования путем использования новых эффективных химических добавок и современных технологических подходов при проектировании и изготовлении бетонов.

В соответствии с приведенной целью для ее реализации были поставлены следующие задачи:

- оценить взаимное влияние таких факторов, как минеральный и гранулометрический состав вяжущего, водоцементное отношение, температура твердения, тепловыделение при твердении, действие химического модификатора на процесс набора прочности бетонов в условиях низких положительных и отрицательных температур;

- усовершенствовать методику оценки эффективности противоморозных добавок, адаптировать ее к реальным условиям строительной площадки.

Провести сравнительный анализ кинетики твердения бетонов с современными противоморозными добавками, применяя при этом существующую и авторскую методики оценки эффективности добавок;

- исследовать кинетику твердения бетонов с противоморозными добавками, на разных стадиях твердения подвергаемых действию отрицательных температур;

- исследовать и оценить влияние раннего замораживания на формирование структуры бетона и его морозостойкость;

- разработать комплекс добавок, ускоряющий процесс схватывания бетонной смеси и обеспечивающий ускоренный набор критической прочности бетона, не содержащий компонентов, вызывающих коррозию, и обеспечивающий технологичность свойств бетонной смеси на период транспортировки и укладки в конструкцию.

Научная новизна.

Противоморозные добавки-электролиты по механизму действия предложено делить на две группы. Одни из них, например, поташ, сода, снижая концентрацию ионов кальция в жидкой фазе цементной матрицы бетона, вызывают ускорение гидратации всех клинкерных минералов и сокращение сроков схватывания бетонной смеси. Галогениды, нитраты и сульфаты одно-, двухвалентных элементов, увеличивая концентрацию ионов Са2+ в жидкой фазе, задерживают ее замерзание и создают высокое пересыщение раствора по ионам Са2+, что стимулирует образование гидратных фаз - носителей прочности цементных систем. При этом в условиях высокого пересыщения ионов, входящих в состав гидросиликатов кальция, формируется максимальное количество связей между частицами. В связи с этим, чем выше растворимость кальциевой соли, тем сильнее добавка ускоряет твердение цементного камня при низких температурах.

Предложена комплексная методика оценки эффективности действия современных противоморозных добавок применительно к «холодному» и «теплому» бетону, включающая определение влияния на сроки схватывания и загустевания цементных систем, на высолообразование, влияния на стабильность прироста прочности бетона в более поздние сроки (90, 180, 365 суток и более) и долговечность бетона и железобетона (проницаемость, морозостойкость, защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре, коррозионную стойкость бетонов).

Установлено, что при бетонировании в условиях низких отрицательных температур (-10°С и ниже) бетон может быть заморожен без снижения его прочности и других показателей в процессе последующего оттаивания и твердения, после достижения начальной прочности не менее 30% от проектной. Для бетонов на общестроительных цементах достижение этой прочности обеспечивается в течение 24-30 часов нормального твердения после конца схватывания.

Нарушения в структуре бетона на заполнителях из горных пород под воздействием отрицательных температур на ранних стадиях твердения характеризуются образованием недостаточно плотной, с множеством линеиных каналов, растворной части и полостей вокруг зерен крупного заполнителя с увеличенным их размером в зонах скопления воды на более холодной поверхности заполнителя. При замораживании бетона с начальной прочностью 30% и более от проектной, цементная матрица кольцеобразно окружает крупный заполнитель и ведет себя как обычный цемент, испытывая при твердении усадочные деформации, обусловленные контракционными явлениями и другими процессами. Это повышает сцепление цементной матрицы с крупным заполнителем, однако ведет к образованию между зернами последнего микротрещин, обусловленных радиальной усадкой цементного камня, которые «самозалечиваются» в процессе дальнейшего твердения при положительных температурах. При раннем замораживании бетона, не набравшего достаточной начальной прочности, цементно-песчаное кольцо вокруг зерен крупного заполнителя, замерзая, ведет себя не как усадочный, а как расширяющийся цемент. В результате положительных радиальных деформаций происходит отслаивание цементно-песчаного кольца от зерен крупного заполнителя с образованием окаймляющих их полостей.

Основываясь на выводах о механизме действия добавок-электролитов, приведенных выше, произведен поиск и предложена новая химическая добавка-электролит, которая превосходит отечественные и зарубежные аналоги по своей эффективности и содержит меньшее количество щелочей. На ее основе предложен модифицирующий комплекс для зимнего бетонирования, включающий также пластификатор. Он ускоряет схватывание бетонной смеси и обеспечивает быстрый набор критической прочности бетона, обеспечивает технологичность свойств бетонной смеси на период транспортировки и укладки в конструкцию.

Обоснована целесообразность и преимущества раздельного введения в бетонную смесь компонентов модифицирующего комплекса для зимнего бетонирования, содержащего ускоритель схватывания и твердения и пластификатор.

Практическое значение результатов работы.

1 Взаимосвязь между растворимостью кальциевых солей противоморозных добавок и их эффективностью как ускорителей схватывания и твердения бетонов при низких положительных и отрицательных температурах позволяет вести теоретически обоснованный поиск новых добавок-электролитов для зимнего бетонирования.

2. Практическое применение предложенной методики комплексной оценки эффективности противоморозных добавок и испытаний бетонных смесей и бетонов позволит повысить качество последних и избежать возникновения в процессе строительства и эксплуатации нештатных ситуаций, вызванных наличием у используемых бетонов неисследованных отрицательных

свойств (интенсивное высолообразование, отсутствие стабильного прироста прочности бетона в более поздние сроки (90, 180, 365 суток и более), проницаемость, снижение защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре и др.)

3. Предложенная новая противоморозная добавка-электролит позволяет ускорять схватывание и твердение цементной матрицы бетона, превосходя по эффективности известные отечественные и зарубежные аналоги. Малое содержание щелочей позволяет, при необходимости, в 2-3 раза повысить дозировку добавки в сравнении с традиционными добавками. При повышенных дозировках добавка не вызывает высолообразование. На ее основе предложен модифицирующий комплекс для зимнего бетонирования, включающий также пластификатор. Он ускоряет схватывание бетонной смеси и обеспечивает быстрый набор критической прочности бетона, обеспечивает технологичность свойств бетонной смеси на период транспортировки и укладки в конструкцию.

4. В соответствии с разработанной технологической картой данная добавка применена на строительных объектах ООО «Управляющая компания ЖБК-1» в зимнее время при замоноличивании стыков плит перекрытия с обеспечением равнопрочности узлов.

Внедрение результатов работы.

Предложенная автором усовершенствованная методика определения и оценки эффективности противоморозных добавок и испытаний производственных составов бетонных смесей, усовершенствованный способ прогнозирования проектной прочности бетонов с противоморозными добавками, твердеющих при отрицательных температурах, по результатам краткосрочных испытаний, применяются при проектировании составов товарного бетона для зимнего бетонирования в условиях производства ОАО «Завод ЖБК-1».

По разработанной с участием автора технологической карте на выполнение замоноличивания стыков плит перекрытия с обеспечением равнопрочности узлов производятся работы на строительных объектах ООО «Строительно-монтажное управление ЖБК-1» и ООО «Строительная компания ЖБК-1» при возведении многоэтажных панельных зданий.

Разработана нормативно-техническая документация на новую добавку-электролит и модифицирующий комплекс для зимнего бетонирования (технические условия, рекомендации по применению).

На строительном объекте ООО «Строительно-монтажное управление ЖБК-1» «Жилой комплекс по ул. Макаренко, квартал «А» поз. 3, 17™ этажный крупнопанельный жилой дом» выполнено замоноличивание торцов многопустотных плит перекрытия типа ПБ с применением в составе бетона разработанного автором модифицирующего комплекса для зимнего бетонирования, включающего добавку-электролит и поликарбоксилатный суперпластификатор. Бетонные работы осуществлялись в зимних условиях при

температуре минус 15°С, прогрев бетона до набора критической прочности осуществлялся с применением термоматов (ТЭМС).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались на Международной научно-практической конференции (XVIII научные чтения) «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007); Международной научно-практической конференции (XIX научные чтения) «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2010); Международной научно-практической конференции (XX научные чтения) «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); 69-ой Всероссийской научно-практической конференции по итогам НИР 2011 года «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», (Самара, 2012); Международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в десяти научных публикациях, в том числе в трех статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка используемой литературы. Работа изложена на 206 страницах машинописного текста, включающего 40 таблиц, 61 рисунок, 1 схему, список используемой литературы из 175 наименований.

Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Ш.М. Рахимбаеву за научные консультации при подготовке диссертации, а также коллективу производственной лаборатории ОАО «Завод ЖБК-1», Н.В. Харьковской, инженеру по развитию в ЦФО MC-Bauchemie, Д.Н. Бабичу, инженеру по качеству ЗАО «Осколцемент», Дмитрию Николаеву, руководителю технической службы отдела «Бетон» ООО «Зика» - за оказанную помощь при проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На начальном этапе развития технологии зимнего бетонирования (19301975гг) основными приемами были: применение повышенных дозировок добавок-электролитов, в том числе и хлорсодержащих, раннее замораживание, термосное выдерживание конструкций, электротермообработка. Это повышало трудоемкость технологического процесса и снижало долговечность возводимых зданий и сооружений.

Экономическая и социальная динамика последних лет и прогнозируемые тенденции развития отрасли производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций демонстрируют актуальность проблем повышения их строительно-технических свойств, обеспечения увеличенного срока эксплуатации зданий и сооружений без дополнительного ухода, позволяющего

сократить объемы используемых сырья и материалов. В целях обеспечения надежности и долговечности возводимых конструкций, современные методы зимнего бетонирования должны основываться на применении современных противоморозных добавок, не содержащих компонентов, вызывающих коррозию бетона и арматуры, в комплексе с прогрессивными методами выдерживания бетона при заданных положительных температурах до набора требуемой критической прочности.

Приведенные выше аспекты отражены во введении к диссертации.

Первая глава посвящена анализу современных способов возведения бетонных и железобетонных конструкций в зимнее время. Для реализации задачи по зимнему бетонированию используются следующие технологические приемы: применение быстротвердеющих либо активированных цементов; введение в бетонную смесь химических добавок - противоморозных и ускорителей твердения; использование термоактивных методов ускорения твердения бетона.

Во второй главе рассмотрено влияние минерального состава цемента и технологических факторов, таких как гранулометрический состав вяжущего, водоцементное отношение, тепловыделение, температура окружающей среды, механизм действия добавок, на твердение цементных систем в условиях низких положительных и отрицательных температур.

Произведенный анализ кинетики твердения клинкерных минералов цементов с различным их содержанием при низких положительных и отрицательных температурах приводит к выводу о том, что лучше других клинкерных минералов при низких положительных и отрицательных температурах твердеет С4АР, который по этому показателю превосходит даже С3А. Поэтому оптимальными к применению в данных условиях являются алюмоферритные цементы.

Установлены закономерности взаимного влияния клинкерных минералов и их смесей на тепловыделение. Для достижения максимального эффекта от тепловыделения в ранние сроки твердения оптимальным является содержание в клинкере С3Б до 70%, С3А и С4АР до 12%.

Изменение температуры свежеуложенной бетонной смеси под воздействием отрицательных температур зависит не только от численного значения вяжущей составляющей тепловыделения, но и от теплоемкости бетонной смеси в целом.

Снижение водоцементного отношения бетонной смеси влияет на ряд значимых при зимнем бетонировании технологических факторов:

- приводит к уменьшению тепловыделения как в ранние, так и поздние сроки, что нежелательно, особенно при термосных способах выдерживания;

- снижает удельную теплоемкость бетонной смеси, что при применении термоактивных методов выдерживания в значительной степени компенсирует указанный выше эффект и частично его перекрывает из-за большой разницы в теплоемкостях воды и твердых компонентов бетонной смеси;

- при применении подогретой воды для затворения бетонной смеси с целью удаления смерзшихся комьев, кусков льда, наледи на зернах заполнителей и обеспечения заданной температуры при выгрузке из бетоносмесителя и у места ее укладки в конструкцию, снижение водоцементного отношения влечет за собой уменьшение количества тепловой энергии, вносимой в бетонную смесь с подогретой водой затворения.

Произведенный расчет и анализ кинетики твердения цементов показал, что при оптимальном гранулометрическом составе цемента (размер частиц в диапазоне 3,5-15 мкм) наблюдается значительное повышение начальной скорости твердения и снижение коэффициента торможения данного процесса. Таким образом, оптимизация тонины помола (повышение содержания частиц размером до 5 мкм и частиц диапазона 5-20 мкм) усиливает способность цементных систем к интенсивному набору прочности в ранние сроки, наиболее актуальные для зимнего бетонирования. По гранулометрическому составу отечественные цементы в большинстве случаев не удовлетворяют данному требованию.

Схватывание и твердение цементных систем, в том числе и при отрицательных температурах, определяется диффузией продуктов гидратации -ионов кальция и гидроксила из зоны реакции цементного вяжущего с водой в поровое пространство. Ускорение этого процесса осуществляется путем ввода специальных добавок.

Добавки неорганических электролитов оказывают двоякое влияние на разность концентраций ионов кальция у поверхности и в порах жидких гидратных новообразований. При вводе ускорителей схватывания, например поташа, концентрация ионов кальция в объеме жидкой фазы резко снижается, т.к. ионы кальция в ней осаждаются в виде слабо растворимого СаС03.

Концентрация ионов кальция в порах отрицательно заряженной пленки гидратных новообразований снижается при этом в меньшей степени из-за того, что проникновение в нее одноименно заряженных ионов С032", образующих малорастворимый СаС03, затруднено. Благодаря этому при вводе №С03 и К2С03 разность концентраций ионов кальция в поровой жидкости и в зоне реакции резко возрастает, что ускоряет гидратацию всех клинкерных минералов и сокращает сроки схватывания.

Такие добавки, как СаС12, №С1 и другие галогениды одно- и двухвалентных элементов, повышают растворимость содержащих кальций продуктов гидратации портландцемента. Если без ввода указанных добавок верхнее значение растворимости Са(ОН)2 при температуре 20 °С составляет 1,6 г/л по Са(ОН)2, то при наличии ионов хлора эта величина возрастает более чем на порядок и достигает десятков г/л. В связи с этим «емкость» гидратной фазы по ионам кальция значительно увеличивается, что ослабляет «запорный» эффект последних в двойном электрическом слое гидратирующихся цементных частиц. Поэтому галогениды и нитраты натрия являются ускорителями схватывания цементных систем, но более слабыми, чем карбонаты. Однако, создавая высокое пересыщение по Са2+, они, тем самым, увеличивают

образование кристаллизационных связей между частицами и повышают прочность цементного камня.

В третьей главе описаны особенности подбора компонентов и состава бетонной смеси для зимнего бетонирования. Основной акцент сделан на рекомендуемых к применению цементах, в зависимости от минералогического состава, способа выдерживания бетона, массивности конструкции и вещественного состава противоморозной добавки.

Область применения бетонных смесей для зимнего бетонирования в настоящее время существенно расширена: укладка бетона при отрицательных температурах, перекачивание бетонной смеси бетононасосом и бетонирование густоармированных конструкций, изготовление железобетонных и напряженных бетонных конструкций. С учетом актуальных требований, сформулированы критерии технологической и технической эффективности действия современных противоморозных добавок. Применение современных технологий ведения бетонных работ требует стабильного обеспечения сохраняемости технологических показателей бетонной смеси на период транспортировки и укладки в конструкцию. Возросшие требования к эстетичности облика зданий и сооружений предполагают принятие соответствующих мер по снижению вероятности высолообразования на бетонных поверхностях.

Автором была произведена сравнительная оценка эффективности современных противоморозных добавок применительно к «теплому» и «холодному» бетону. Результаты приведены в таблицах 1,2.

Таблица 1

Результаты оценки эффективности противоморозных добавок применительно к «холодному» бетону

Характеристики Контр, образцы Вид добавки

Криопласт П20 Крио пласт П25-1 Нитрит на тли я РСТ Формнат натпня Т2/18

% ввел, добавки (от массы цемента) - 4 1,5 8 1,5 1,5 1,5

ЦЕМ 142.511 кг/м" Белгородский 350

В/Ц 0.54 0.54 0.62 0.57 0.56 0.61 0.61

ок см 12 11 13,1 12 12 12 12,5

Прочность при сжатии в возрасте 28 суток 1 партия: 28 сут. усл. норм. та. Среднее значение. МПа / % от контр.

31,1 / 100 34,9 /112 37,0 /119 32,7/ 105 38,2 /123 37,4/ 120 36,4/ 117

2 гартия: 28 сут. мороз Разруше ше без триложе нмя тгрузки 3,8 /12 4,1 /13 4,1 / 13 2,0/ 6,5 3,7 /12 3,4/ и

3 партия: 1 сут. усл. норм. те. 27 сут. молот 7,0 /22 15,0/48 10,0 /32 \\Л/36 12,0 137 1,5/24 7,2/ 23

Из данных, приведенных в таблице 1 видно, что ни одна испытанная добавка не обеспечила набора прочности 30% от проектной при отрицательной температуре минус 16°С ±2 в возрасте 28 суток, независимо от состава добавки, ее свойств и вводимого количества, тогда как влияние повышенных дозировок на технологичность бетонных смесей и на долговечность бетона в целом очень велико.

Данная методика определения и оценки эффективности противоморозных добавок для «холодного» бетона или раствора не обеспечивает набора критической прочности до момента замерзания бетона. К тому же, сроки оттаивания на воздухе при температуре 20°С ±2, указанные в нормативных или технических документах на добавки разных производителей, различны. В большинстве случаев, предлагаемое время оттаивания недостаточно для возобновления процессов твердения и набора необходимой прочности бетонов на нормальнотвердеющих общестроительных цементах.

В таблице 1 и на рисунках 1 и 2 приведены результаты испытаний образцов основных составов, которые были выдержаны в нормальных условиях в течении 24 часов, а затем помещены в морозильную камеру с заданной отрицательной температурой минус 16°С ±2 на 27 суток. Данное время предварительного выдерживания обеспечило набор прочности 30% и более от проектной в бетонах большинства составов.

Из рисунков 1 и 2, на которых представлена кинетика твердения бетона с разными противоморозными добавками, видно, что предварительное выдерживание в течение 24 часов в нормальных условиях позволяет бетону набрать начальную прочность и обеспечить некоторый ее прирост даже под воздействием отрицательных температур. Твердение продолжается в течение 1-3х суток до момента полного замораживания несвязанной воды в бетоне. При температуре минус 16°С ±2 это происходит на 4е сутки морозного воздействия -набор прочности бетона прекращается.

кисла тнриш 1пш вры мршшалыюй кшкрлур*

Кмпга mfwa kim ■ра етрящатсльшй темясридо

I ¡Г

-в-Ич*:

Anlifreeif JO ■ ■■ — AnnfeettPiO :=Ш —Aalifrctte N9

-•-ЬрИОП -^ -R«>dl!;

Рис. 1 Кинетика твердения бетона с противоморозными добавками под воздействием отрицательных температур

Рис. 2 Кинетика твердения бетона с противоморозными добавками под воздействием отрицательных температур

Результаты оценки эффективности противоморозных добавок применительно к «теплому» бетону

Характеристики Контр, образцы Вид добавки

РСТ Рапид 2 Т2/18 Формнат Натрия

% ввел добавки (от массы цемента) - 1,5 1,5 1,5 1,5

ЦЕМ142,5 H кг/м3 Белгородский 350

В/Ц 0,63 0,56 0,63 0,61 0,61

ок см 11,6 12,5 12 12,5 12

Прочность при сжатии в возрасте 28 суток Контр, состав: 28 сут. усл. норм. тв. Среднее значение, МПа / % от конт Р-

29,0/ 100 - - -

Основной состав: 4 часа мороз + 28 сут. норм. тв. 31,1 /107 23,9 / 82 21,2/ 73 21,7/ 75

Анализ данных таблицы 2 показывает, что воздействие низких температур на ранней стадии твердения, даже в течение недлительного времени, отрицательно влияет на процесс набора прочности. Только в одном составе из четырех бетон набрал необходимую прочность в возрасте 28 суток (95% и более от R28HOpMm).

Вещественный состав противоморозных добавок и механизм их действия предопределяют необходимость комплексного подхода к оценке эффективности их работы. Действие противоморозных добавок, кроме основного эффекта, должно оцениваться по ряду немаловажных показателей: влияние на сроки начала и конца схватывания бетонных и растворных смесей; влияние на сохраняемость (жизнеспособность) технологических свойств бетонных и растворных смесей; обеспечение стабильного прироста прочности в более поздние сроки (90, 180, 365 суток и далее); влияние на образование высолов; влияние на долговечность бетона и железобетона (проницаемость, морозостойкость, защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре, коррозионную стойкость бетонов в условиях воздействия различных агрессивных сред). Автором разработан алгоритм и рекомендована методика комплексной оценки эффективности действия противоморозных добавок с учетом требований СНиП 3.03.01-87, ГОСТ 31384, ГОСТ 24211, в целях обеспечения требуемых эксплуатационных и эстетических свойств бетонных и железобетонных конструкций и их долговечности.

Успешное решение сложной строительной задачи по бетонированию в зимнее время во многом зависит от понимания процессов, происходящих в цементных системах под действием отрицательных температур. В четвертой главе рассмотрены и проанализированы результаты исследований набора прочности бетонов с противоморозными добавками на разных стадиях твердения, подвергаемых действию отрицательных температур.

Прочность бетона в зависимости от периода предварительного выдерживания в нормальных условиях и длительности воздействия отрицательной температуры

Наименование добавки Характеристика состава Прочность бетона при сжатии в возрасте, сутки, МПа/% от контрольного состава

Цемент в/ц ок, см

4 часа -твердение при t минус 16°С±2, далее 28 сут. — норм. ТВ. («теплый» бетон) 28 суток -твердение при t минус 16 °С ±2 («холодный» бетон) 28 суток -твердение nput минус 16 °С±2, далее 28 сут. норм. ТВ. 1 сутки -норм. ТВ., далее 27 суток соотв. - твердение при г минус 16 "С ±2, далее 28 сут. — норм. ТВ.

Контрольный состав, без добавок 350 0,63 12 прочность при сжатии в возрасте нормального твердения - 28 МПа /100 56 суток нормального тверден 32,6 МПа/116% 8 суток %, в возрасте ия -

Формиат Натрия 0,61 12 21,7 3,7 - 35,7

77 13 - 127

Т2/18 0,61 12,5 21,2 3,4 - 28,4

76 12 - 101

РСТ 0,55 12 31,1 3,1 10,9 42,5

111 11 39 152

Криопласт П25 0,62 13 - - - 26,9

- - - 96

RAPID 2 0,6 12 23,9 1,6 - 31,3

85 6 - 112

Antifreeze 30 0,64 12,6 24,6 - 16,0 29,6

88 - 57 106

Antifreeze N9 0,54 13 28,2 2,8 10,4 31,3

100 10 37 112

В таблице 3 представлена прочность бетона при сжатии в зависимости от периода предварительного выдерживания в нормальных условиях и длительности воздействия отрицательной температуры.

Бетон, подвергнутый воздействию отрицательной температуры в первые четыре часа после формования, в большинстве случаев не набирает необходимую прочность (95% и более от К28кормтв). Введённое в бетонную смесь количество противоморозной добавки оказывается недостаточным для защиты смеси от замерзания, интенсификации процесса твердения и набора в дальнейшем необходимой прочности.

По истечении четырех часов морозного воздействия, когда бетонные образцы были помещены в нормальные условия твердения, после оттаивания процессы схватывания и твердения возобновились. Бетон начал набирать прочность. Однако, под воздействием раннего замораживания, вследствие расширения воды затворения при замерзании, в бетоне образовался дополнительный объем пор и каналов. Воздействие отрицательных температур

на ранней стадии твердения, даже в течение недлительного времени, отрицательно влияет на формирование структуры цементного камня.

Из анализа результатов эксперимента, при котором контрольные образцы бетона сразу после изготовления были помещены в морозильную камеру с температурой минус 16°С ±2 на 28 суток, видно что набора требуемой прочности (30% от прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях) не произошло. При таких условиях твердения бетон, в среднем, способен набрать 8-10% от прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях.

В данном случае, при оценке эффективности действия той или иной противоморозной добавки, важно, насколько добавка интенсифицирует процесс схватывания и твердения в первые минуты и часы после укладки бетона в конструкцию и благотворно влияет на формирование плотной структуры цементного камня, чтобы обеспечить набор бетоном критической прочности до момента полного замораживания оставшейся воды и прекращения процесса твердения. По истечении 28 суток нормального твердения (возраст бетона 56 суток) бетон набирает порядка 60% от прочности бетона контрольного состава, твердевшего в нормальных условиях.

Степень воздействия отрицательных температур на дальнейшее твердение бетона определена тем, какую начальную прочность набрал бетон к моменту полного замораживания. Бетоны, набравшие к моменту полного замораживания критическую прочность, в большей степени восполняют потери прочности в дальние сроки твердения в нормальных условиях (56-90 суток). Бетон с достаточной начальной прочностью может подвергаться замораживанию без разрушения вследствие более высокого сопротивления давлению льда, и потому, что большая часть воды затворения уже связана при гидратации цемента и расположена в порах геля, где замерзнуть уже не может.

Автором проведены исследования влияния раннего замораживания на формирование структуры бетона. Для этого были изготовлены контрольные образцы бетона с современными противоморозными добавками. Из данных контрольных образцов бетона были подготовлены образцы-шлифы для изучения структуры путем наблюдения в металлографический оптический инвертированный микроскоп Olympus GX-51. В процессе наблюдения образцов-шлифов в микроскоп с увеличением в 100-500 раз были получены снимки структуры бетона и сгруппированы по условиям его твердения. Часть снимков при ведена в таблиц е 4.

У трех групп снимков образцов-шлифов бетона, подверженного действию отрицательных температур в разные сроки твердения, после твердения в нормальных условиях в течение 180 суток в результате гидратации цемента наблюдается «самозалечивание» кристаллами Са(ОН)2 полостей, окаймляющих заполнители. Однако эффект «самозалечивания» имеет разную интенсивность, в меньшей степени он проявлен в группе снимков, относящихся к условиям твердения бетона в течение 28 суток при температуре минус 16°С ±2.

Таблица 4

Снимки образцов-шлифов бетона, твердевшего в нормальных условиях и подверженного раннему замораживанию

При замерзании бетона, не достигшего критической прочности, под влиянием внутреннего давления при образовании льда и других деструктивных процессов происходит частичное разрушение цементного камня и нарушение его сцепления с заполнителями, которые при дальнейшем твердении в условиях положительных температур восстанавливаются не полностью. Эта картина видна на группе снимков, относящихся к условиям твердения бетона в течение 28 суток при температуре минус 16°С ±2, где заполнители окружены темной каймой, свидетельствующей о наличии крупных полостей между заполнителем и растворной частью. Кроме того, растворная часть недостаточно плотная, имеет пористую структуру с волосяными каналами. Такие нарушения структуры бетона необратимы и потому недопустимы. Они значительно ухудшают потенциально возможные физико-механические характеристики бетона после оттаивания. Этот вывод также подтверждается результатами исследований нарастания прочности бетона в разные сроки, проведенных автором.

Группа снимков, относящихся к условиям твердения бетона, при которых образцы были выдержаны до замораживания в нормальных условиях в течение 24 часов, подтверждает сделанные выше выводы. На снимках, в зоне контакта между заполнителем и раствором, нет ярко выраженного темного окаймления заполнителя, нет крупных полостей, свидетельствующих об интенсивном образовании замерзших водных пленок или линз, растворная часть плотно прилегает к заполнителю. Однако в сравнении со снимками образцов-шлифов бетона, твердевшего в нормальных условиях, незначительная более темная каемка на некоторых снимках просматривается, а также видна не четко выраженная область растворной части с темными и светлыми пятнами, что свидетельствует о недостаточно сформированной кристаллизационной структуре.

Группа снимков образцов-шлифов бетона, непосредственно после изготовления подвергнутого замораживанию при температуре минус 16°С ±2 в течение 4 часов, показывает, что сплошность структуры бетона нарушена, контур заполнителя и поверхность раздела между растворной частью и заполнителем ярко выражены более темным оттенком, что свидетельствует об образовании в этой зоне замерзших водных оболочек и линз.

Изложенные явления объясняются тем, что в бетоне нормального твердения, а также подвергнутого замораживанию после набора критической прочности (более 30% от Я28"°рмт), цементно-песчаная оболочка вокруг зерна крупного заполнителя довольно плотно прилегает к поверхности последнего и имеет с ним хорошее сцепление. Это обусловлено тем, что в оболочке связующего вокруг зерен щебня наблюдается тангенциальная усадка, вызывающая появление сил стяжения в зоне контакта вяжущего с заполнителем. Радиальная составляющая усадки, при этом, вызывает появление микротрещин в цементно-песчаной оболочке, расположенной между зернами крупного заполнителя. По данным С.А. Миронова, в процессе длительного

твердения в нормальных условиях происходит «самозалечивание» этих микротрещин.

Если же замораживанию подвергнута «несхватившаяся» бетонная смесь, либо бетон, не набравший достаточной начальной прочности, то цементно-песчаная оболочка ведет себя как вяжущее с большим свободным расширением (8-9%) и, согласно формуле Ламе, при этом наблюдается сильное тангенциальное расширение по внутренней поверхности кольца цементно-песчаной матрицы. Это вызывает отставание цементной оболочки от поверхности крупного заполнителя и образование пустот между ними, что и зафиксировано на микрофотографиях образцов-шлифов бетона.

Большое влияние на морозостойкость бетона оказывают дефекты в структуре, образующиеся при раннем замораживании свежеуложенного бетона. Автором в производственной лаборатории были проведены исследования морозостойкости бетона, подверженного воздействию отрицательных температур в раннем возрасте. Коэффициент потери прочности бетона в результате раннего замораживания составил в среднем 0,87 от Р^сжнормтв. Коэффициент морозостойкости составил в среднем 0,79 от морозостойкости бетона, не подверженного замораживанию на ранней стадии твердения.

В пятой главе изложены результаты исследований новой добавки-электролита и модифицирующего комплекса для зимнего бетонирования на ее основе.

Главным препятствием к повышению дозировок противоморозных добавок-электролитов является избыточное содержание высокоподвижных катионов калия и натрия, которые могут интенсифицировать высолообразование и вызвать деструктивные процессы в структуре бетона, снижающие его долговечность. Предлагаемая добавка-электролит, содержащая меньше щелочей и более эффективная, дает возможность, при необходимости, в 2-3 раза повысить дозировку с теми же отрицательными последствиями, что и традиционные противоморозные добавки.

В качестве составляющей комплекса, регулирующей технологические свойства бетонной смеси, позволяющей снизить количество воды затворения и уплотнить структуру бетона, предлагается два варианта: лигносульфонаты технические и водный раствор поликарбоксилатных эфиров.

Эффективность действия всех составляющих и комплекса в целом подтверждена экспериментально. В частности, определено влияние комплекса на сроки схватывания цемента (табл. 4); на прочность при сжатии и изгибе цементного раствора (табл. 5); оценено влияние модифицирующего комплекса на сохраняемость технологических свойств бетонной смеси во времени и на набор прочности бетона, твердеющего при воздействии отрицательных температур (табл. 6).

Влияние комплекса авторской добавки с пластификатором на сроки схватывания цемента ЦЕМ I 42,5 Н (ЗАО «Белгородский цемент»)

Комплекс добавок Дозировка добавки, % от массы цемента Сроки схватывания цемента, мин.

начало конец 64

Авторская добавка+ЛСТ 0,25 + 0,25 0,28 + 0,25 14 30

0,3 + 0,25 36 53

0,3 + 0,45 51 85

0,3 + 0,55 78 101

0,3 + 0,65 77 94

Авторская добавка + поликарбоксилатный суперпластификатор 40%"°* конц. 0,28 + 0,15 11 59

0,28 + 0,25 21 68

Таблица 5

Прочность цементного раствора с комплексом добавок, состоящем из авторской добавки и пластификатора

Состав раствора Консистенция по расплыву конуса (ГОСТ Режим Предел прочности, МПа (ГОСТ 310.4-81)

310.4), мм твердения при изгибе при сжатии

Состав №1 - бездобавочный Цемент-500 г Песок - 1500 г Вода-200 мл. В/Ц 0 4 115 1 сутки — хранение в камере нормального 4,47/ 100% 21,3/ 100%

Состав №2 - комплекс добавок Авторская добавка (0,28% отм.ц.) +ЛСТ (0,25% от м.ц.) В/Ц - 0,3 115 твердения + 1 сутки в воде; образ цы- 4,71/ 105% 27,2/ 128%

Состав №3 - комплекс добавок Авторская добавка (0,28% от м.ц.) +поликарбоксилапшй суперпластификатор 40%"°" конц. (0,15% от м.ц.) В/Ц-0.36 112 испытаны в возрасте 2 суток 4,6/102% 28,9/ 116%

Прочность при сжатии бетона с комплексом модификаторов, состоящем из авторской добавки-электролита и суперпластификатора

Состав, режим твердекня Ппочность ппи сжатии, МПа / % в возрасте

через 24 часа . 28 суток 56 суток

Контрольный состав, в нормальных условиях 5,3/27 20,0/100 27,0/135

Авторская добавка (1,5% от м.ц.) + ЛСТ (0,2% от м.ц.), оасход цемента 350 кг/м\ В/Ц 0,63, ОК 14,0 см

4 часа*+28 суг. н.тв. +28 сут. н.тв. - 17,2/86 *

1 сут. н.тв.+ 27 сут.*+ 28 сут. н.тв. 4,8/24 5,2/26 18,8/94

Авторская добавка (1,5% от м.ц.) + ПК** (0,5% от м.ц. р-р 40%), расход цемента 350 кг/м3, В/Ц 0,62, ОК 14,3 см

4 часа*+28 сут. н.тв. +28 сут. н.тв. - 20,8 /104 *

1 сут. н.тв.+27 сут.*+ 28 сут. н.тв. 6,0/30 12,9/65 23,0/115

Примечание: * - твердение при температуре минус 16 °С ± 2;

** - поликарбоксилатный суперпластификатор 40%нои концентрации.

Предлагаемый автором модифицирующий комплекс для зимнего бетонирования обеспечивает: набор прочности 95% и более от контрольного состава нормального твердения применительно к «теплому» бетону (ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия»); набор начальной прочности (критической прочности) в течение 24 часов нормального твердения, после достижения которой бетон может быть заморожен без снижения его прочности и других показателей в процессе последующего твердения после оттаивания; интенсификацию процесса твердения после оттаивания; достижение требуемой прочности в процессе последующего твердения после оттаивания, в заданные сроки.

Комплекс не содержит в своем составе хлоридов и других веществ, вызывающих коррозию арматуры, поэтому может использоваться без всяких ограничений для железобетонных конструкций, в том числе и преднапряженных; не содержит в своем составе компонентов, приводящих к образованию аммиака в бетоне. Предлагаемый комплекс удовлетворяет требованиям ГОСТ 313834-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования».

Компоненты комплекса вводятся в бетонную смесь раздельно. Достоинствами способа раздельного введения противоморозной добавки и пластификатора является постоянный состав бетонной смеси с минимальными корректировками по расходу воды затворения, тогда как при применении

комплексных добавок, в зависимости от расчетной температуры применения, при изменении количества вводимой добавки, требуются корректировки по количеству воды затворения для обеспечения постоянного В/Ц. При раздельном введении противоморозной добавки и пластификатора сохраняется постоянный уровень пластификации и сохраняемости технологических свойств бетонной смеси. Раздельное введение в бетонную смесь противоморозного компонента и пластификатора дает возможность регулировать расходы добавок в зависимости от условий зимнего бетонирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано взаимное влияние факторов: минерального и гранулометрического состава вяжущего, водоцементного отношения, температуры твердения, тепловыделения при твердении, особенностей механизма действия химического модификатора на процесс набора прочности бетонов в условиях низких положительных и отрицательных температур.

2. На основе анализа технологических процессов зимнего бетонирования и положений основополагающих нормативных документов в области обеспечения надежности и долговечности зданий и сооружений сформулированы требования к действию современных противоморозных добавок и критерии оценки их эффективности.

3. Предложена методика определения и комплексной оценки эффективности действия современных противоморозных добавок и испытания производственных составов бетонных смесей для «холодного» и «теплого» бетонов, учитывающая: влияние на сроки начала и конца схватывания бетонных и растворных смесей; влияние на сохраняемость (жизнеспособность) технологических свойств бетонных и растворных смесей; обеспечение стабильного прироста прочности в более поздние сроки (90, 180, 365 суток и далее); влияние на образование высолов; влияние на долговечность бетона и железобетона (проницаемость, морозостойкость, защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре, коррозионную стойкость бетонов в условиях воздействия различных агрессивных сред).

4. Проведен сравнительный анализ кинетики твердения бетонов с современными противоморозными добавками, полученной с применением существующих методик оценки эффективности действия добавок и усовершенствованной методики.

5. Исследован набор прочности бетонов с современными противоморозными добавками, на разных стадиях твердения подвергаемых действию отрицательных температур. Исследовано и оценено влияние раннего замораживания на формирование структуры бетона и его морозостойкость.

6. Усовершенствован способ прогнозирования проектной прочности бетонов с современными противоморозными добавками, набравших критическую прочность к моменту замораживания и твердеющих в дальнейшем при отрицательных температурах, по результатам краткосрочных испытаний.

7. Разработан модифицирующий комплекс добавок, ускоряющий процесс схватывания бетонной смеси и обеспечивающий ускоренный набор критической прочности бетона, не содержащий компонентов, вызывающих коррозию, в количествах, превышающих допустимые значения и обеспечивающий технологичность свойств бетонной смеси на период транспортировки и укладки в конструкцию.

Разработана нормативно-техническая документация и рекомендации по применению модифицирующего комплекса для зимнего бетонирования, включающие: область и специфику применения, основные эффекты действия и преимущества, совместимость с пластификаторами, границы рекомендуемых дозировок, условия хранения. Обоснована целесообразность и преимущества раздельного введения в бетонную смесь ускорителя схватывания и твердения и пластификатора.

8. Использование полученных в этой работе данных о влиянии отрицательных температур на твердение и формирование структуры бетонов с современными противоморозньши добавками позволит повысить качество проектирования составов бетонных смесей для зимнего бетонирования и выявить и ликвидировать «узкие места» в технологии ведения бетонных работ с учетом современных требований к строительным материалам: обеспечения высокой прочности и долговечности возводимых зданий и сооружений, обеспечения увеличенного срока эксплуатации, позволяющего сокращать объемы дополнительно используемых сырья и материалов.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Крикунова (Косинова), A.A. О влиянии гранулометрического состава вяжущего на кинетику твердения портландцементных систем/ A.A. Крикунова, Ш.М. Рахимбаев, Н.В. Харьковская// Технологии бетонов. - 2009. -№2.-С. 54-55.

2. Сврдюкова (Косинова), A.A. К вопросу об оценке эффективности противоморозной добавки/ A.A. Сердюкова// Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сборник докладов Международной науч.-пракг. конф. (XIX научные чтения) (г. Белгород) в 3 ч. Ч.З/ Белгородск. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - Белгород,

2010.-С. 209-211.

3. Сердюкова (Косинова), A.A. Противоморозные добавки: критерии технологической и технической эффективности. Обеспечение долговечности железобетонных конструкций/ A.A. Сердюкова// Инновационные материалы и технологии: сборник докладов Международной науч.-практ. конф. (XX научные чтения) (г. Белгород) в 2 ч. 4.2/ Белгородск. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2011. - С. 103 - 110.

4. Сердюкова (Косинова), A.A. Противоморозные добавки: критерии технологической и технической эффективности. Обеспечение долговечности железобетонных конструкций/ A.A. Сердюкова// ЖБИ и конструкции. - 2012. -№1.-С. 44-49.

5 Сердюкова (Косинова), A.A. Кинетика тепловыделения смесей клинкерных минералов / A.A. Сердюкова, И.Ш. Рахимбаев// Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 69-я Всероссийской науч.-практич. конф. по итогам НИР 2011г. (г. Самара) в 2 ч. 4.2/ Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2012. - С. 17 - 23.

6 Сердюкова (Косинова), A.A. Влияние пониженных температур на кинетику твердения цементных систем/ A.A. Сердюкова, Ш.М. Рахимбаев// Вестник БГТУ. - 2012. - №3. - С. 49 - 52.

7 Сердюкова (Косинова), A.A. Влияние водоцементного отношения на кинетику тепловыделения цементов/ A.A. Сердюкова, И.Ш. Рахимбаев// Цемент и его применение. - 2012. - №3. - С. 123 - 124.

8 Сердюкова (Косинова), A.A. Влияние отрицательных температур на твердение бетона/ A.A. Сердюкова, Ш.М. Рахимбаев// Бетон и железобетон. -

2013.-№1(18).-С. 52-54.

9. Сердюкова (Косинова), A.A. О механизме действия ускорителен схватывания и твердения цементной матрицы бетона/ A.A. Сердюкова, И.Ш. Рахимбаев// Вестник БГТУ. - 2013. - №2. - С. 26 - 28.

10 Сердюкова (Косинова), A.A. К вопросу об оценке эффективности протавоморозных добавок/ A.A. Сердюкова// Технологии бетонов. - 2013. -№8. -С. 34-35.

КОСИНОВА Анна Андреевна

ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА С ПРОТИВОМОРОЗНЫМИ ДОБАВКАМИ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 05.11.13 Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,3. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 286

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. В.Г. ШУХОВА

На правах рукописи

04201452234

КОСИНОВА АННА АНДРЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА С ПРОТИВОМОРОЗНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рахимбаев Шарк Матрасулович

Белгород-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава I. Анализ современных способов возведения бетонных и железобетонных конструкций в зимнее время. Тенденции развития технологий строительства в зимнее время 21

1.1 Эффективность применения быстротвердеющих

и активированных цементов 23

1.2 Добавки 24

1.3 Применение термоактивных методов выдерживания

бетона при отрицательных температурах воздуха 27

1.4 Применение автобетононасосов и бетоноводов

при укладке бетонной смеси в зимнее время 42

Выводы к первой главе 44

Глава II. Влияние минерального состава цемента и технологических факторов на твердение цементных систем в условиях низких положительных

и отрицательных температур 47

2.1 Минеральный состав цемента.

Кинетика тепловыделения клинкерных минералов и их смесей 47

2.2 Влияние водоцементного отношения

на кинетические константы тепловыделения цементов

разного минерального состава 55

2.3 Влияние температурного фактора на кинетику твердения цементов в зависимости от содержания

основных клинкерных минералов 59

2.4 Влияние гранулометрического состава цемента

на кинетику твердения цементных систем 67

2.5 Химические добавки, влияющие на отдельные периоды

гидратации цемента и ускоряющие рост прочности бетона

в начальные сроки твердения 72

Выводы ко второй главе 78

Глава III. Противоморозные добавки: технологическая и

техническая эффективность применения 85

3.1 Особенности подбора компонентов бетонной смеси

для зимнего бетонирования 85

3.2 Противоморозные добавки: критерии технологической и технической эффективности. Обеспечение долговечности железобетонных конструкций 91

3.3 Оценка эффективности современных противоморозных добавок применительно к «теплому» и «холодному» бетону 100

3.4 Предпосылки для совершенствования методики оценки эффективности противоморозных добавок 104 Выводы к третьей главе 111 Глава IV. Влияние отрицательных температур на формирование структуры и твердение бетона с химическими добавками 115

4.1 Набор прочности бетона, подвергаемого действию

отрицательных температур на разных стадиях твердения 115

4.2 Влияние раннего замораживания

на формирование структуры бетона 125

4.3 Влияние раннего замораживания на морозостойкость бетона 134

4.4 Прогноз прочности бетона, твердеющего при отрицательных температурах, по результатам краткосрочных испытаний 139 Выводы к четвертой главе 152 Глава V. Комплекс химических добавок для бетонирования

в условиях низких положительных и отрицательных температур. Внедрение и технико-экономическое обоснование 161

5.1 Выбор компонентов комплекса химических модификаторов

для зимнего бетонирования 161

5.2 Влияние авторской добавки и ее комплекса с пластификатором

на сроки схватывания цементного теста 165

5.3 Влияние авторской добавки и ее комплекса с пластификатором на прочность цементного раствора 169

5.4 Определение и оценка эффективности комплекса добавок, состоящего из авторской добавки и пластификатора, применительно к бетону, твердеющему при воздействии

отрицательных температур 171

5.5 Оценка сохраняемости технологических свойств бетонной смеси с комплексом добавок, состоящем из авторской добавки

и пластификатора 175

5.6 Особенности приготовления бетонной смеси с комплексом добавок, состоящем из авторской добавки и пластификатора 177

5.7 Внедрение и технико-экономическое обоснование 181 Выводы к пятой главе 184 Основные выводы и результаты работы 187 Список используемой литературы 189 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 207 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 224 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 231 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 250

ПРЕДИСЛОВИЕ

История применения бетона, основного конструкционного материала, уходит в глубину веков, однако область неизученных свойств бетона по-прежнему велика. Обусловлено это тем, что прогнозирование его эксплуатационных качеств связано с большим количеством внешних факторов, малоизученных и нередко не учитываемых при проектировании.

Основная идея данной работы - связать генезис структуры бетона в условиях длительного воздействия агрессивных факторов среды эксплуатации, в частности, низких положительных и отрицательных температур и влияние попеременного замораживания и оттаивания, с долговечностью бетона.

Понимание процессов, протекающих при твердении цементных систем в условиях воздействия внешних агрессивных факторов, позволяет разрабатывать рекомендации по обеспечению стойкости бетонных и железобетонных изделий и конструкций к разрушающему действию среды эксплуатации и успешно применять их на практике.

ВВЕДЕНИЕ

«Полагаю, что нужно время от времени пересматривать проблемы технологии бетона всякий раз в свете все более широких обобщений и связью идей объединять факты, лишь в силу привычки изучаемые в отрыве друг от друга...»

Роберт Лермит

Более 40 лет в странах центральной части Европы, Скандинавских странах, нашей стране ведется исследование особенностей твердения бетона при низких положительных и отрицательных температурах, влияния раннего замораживания на формирование структуры и физико-механические свойства бетона, его долговечность, а также, исследование основных механизмов, которые приводят к разрушению бетона под воздействием мороза и размораживающей соли.

Большой вклад в развитие теории и технологии зимнего бетонирования, а также разработку методов производства бетонных и железобетонных работ в зимних условиях был сделан советскими учеными и инженерами в 1930-1975 годах [1].

Увеличение объемов капитального строительства и сокращение сроков ввода объектов в эксплуатацию, намеченные первыми пятилетними планами развития народного хозяйства СССР, обусловили переход строительства на круглогодичную работу, поэтому одной из важнейших задач стало изыскание рациональных методов производства работ в зимних условиях.

Первые важные объекты первой пятилетки в зимнее время сооружались в тепляках, в которых создавались искусственные «летние» условия, что требовало чрезвычайно больших затрат труда рабочих, расхода лесоматериалов и топлива. Так, зимой 1930-1931гг. было построено здание

теплоэлектроцентрали в Бобрике Донском в тепляках высотой 19 м (рис. 1) и здание коксохимического завода в Кузнецке (рис. 2).

Рис. 1 Тепляки из фанерных щитов, Рис. 2 Тепляк, возведенный зимой 1930/31 г.

применявшиеся при строительстве при строительстве коксохимического завода

зданий теплоэлектроцентрали в Боб- в Кузнецке (под брезентовыми палатками

рике Донском зимой 1930/31 г. прокладывают траншеи).

В этот период еще только начиналась разработка более экономичных методов строительства и бетонных работ в зимнее время. На строительстве химкомбината в Бобрике Донском часть конструкций возводилась в тепляках, а часть - с утеплением по методу «термоса», массивные фундаменты под домну и воздухонагреватели на Магнитострое полностью забетонированы по методу «термоса».

Начиная с зимы 193 0-1931гг. Мосстроем в опытном порядке несколько жилых домов возводилось с подогревом материалов, а позднее методом замораживания. Бетонные работы в это время производились только в объемных тепляках.

Начиная с 1929-193 0гг. в зимние месяцы в большом объеме начали производиться железобетонные работы в Ленинграде на строительстве промышленных зданий. Каркасные железобетонные конструкции возводились с обогревом в паровых рубашках. Устройство объемных тепляков требовало больших затрат труда, лесоматериалов и топлива, а метод термоса для конструкций средней массивности на применявшихся цементах не обеспечивал длительной выдержки бетона при положительных температурах до момента

набора им требуемой прочности. Электропрогрев бетона к тому времени еще не был разработан для практического использования.

Ликвидации сезонности в строительстве способствовали широко проводившиеся научно-исследовательские и экспериментальные работы на ряде объектов. Современные методы производства строительных работ в зимних условиях сложились в результате длительного отбора и совершенствования многочисленных предложений. В этом направлении на протяжении 45 лет в ГИС, ЦНИПС, НИИЖБ, ЦНИИОМТП, ЦНИИСК, ЦНИИС, ВНИИГ, Красноярском Промстройниипроекте, ЮжНИИ, НИИМосстрое, ЦНИЛЭПС, ДорНИИ, ВНИИСтройнефти и в ряде других организаций проводилась большая творческая работа. Значительную роль сыграли лаборатории таких строек, как Магнитострой, Краммашстрой, треста «Строитель», Тагилстрой, канала Москва-Волга, Волгодонстрой, Днепрострой и Куйбышевгидрострой, Ленгорстрой и др.

Опыт ряда строек, а также исследования, проведенные в ЦНИПС и ЦНИИС, привели к разработке научно обоснованного способа «термоса», т. е. способа укладки бетона на морозе с утеплением его в конструкциях на необходимый срок, определяемый по данным теплотехнических расчетов остывания бетона и интенсивности его твердения. В 1933-1934гг. проф. Б.Г. Скрамтаевым и проф. B.C. Лукьяновым были разработаны способы расчета охлаждения бетона в каркасных и массивных конструкциях [2, 3].

В 1930-1940гг. в области производства бетонных и железобетонных работ в зимнее время к числу наиболее эффективных и рациональных методов были отнесены: использование сборных железобетонных изделий и конструкций, электротермообработка, паропрогрев, термос, использование теплоты грунта, применение химических, и в частности противоморозных, добавок и только в отдельных случаях устройство легких секционных и местных тепляков. Все эти методы были отражены в нормах и технических условиях, а также в производственных инструкциях, которые периодически перерабатывались, с

расширением области применения и отражением результатов исследований, а также богатого опыта строительных организаций [4, 5, 6].

Разработанные в годы первых пятилеток методы ведения строительных работ в зимних условиях сыграли огромную роль в годы Великой Отечественной войны, особенно когда потребовалось возводить срочно здания для немедленного использования оборудования перебрасываемых на восток предприятий.

В результате опыта строительства военных лет разработаны такие новые методы, как периферийный электропрогрев, электропрогрев подливки раствора под оборудование, бетонирование на мерзлом основании, применение безгипсовых цементов, ускорение твердения строительных растворов путем введения различных добавок, пропаривание в «капиллярной» опалубке, электропрогрев кирпичной и бутовой кладки. Дальнейшее развитие получили работы по установлению оптимального температурного режима для твердения бетона. Разработаны и в ряде случаев применяются способы обогрева бетонных и железобетонных конструкций различного вида теплоносителями. Накопленный опыт позволил строителям необыкновенно быстрыми темпами в послевоенный период восстанавливать разрушенные и возводить новые здания и сооружения в зимнее время.

Внедрение быстротвердеющих цементов, а также бетона с большими добавками солей [7], обеспечивающих применение его при отрицательных температурах, переход на индустриальные методы строительства и связанное с этим широкое использование сборных железобетонных конструкций значительно изменили технику производства железобетонных работ на строительных площадках в зимних условиях. Переход на массовое применение сборного железобетона в соответствии с решением Центрального Комитета КПСС и Совета Министров СССР от 19 августа 1954г. в значительной степени превратил строительную площадку в место монтажа готовых изделии и конструкций заводского производства. Зимняя специфика ведения работ при этом сохраняется лишь частично при омоноличивании стыков сборных

железобетонных конструкций. Внедрение в производство быстротвердеющих бетонов позволило также сокращать сроки термосного выдерживания и тепловой обработки конструкций. Применявшиеся же ранее объемные тепляки ушли в историю.

Значительную роль в развитии методов зимнего бетонирования, и в частности электротермообработки, сыграл предложенный в 1962 г. A.C. Арбеньевым [8] метод предварительного электроразогрева бетонной смеси перед укладкой в опалубку. Этот метод, разработанный в Новокузнецком отделении УралНИИСтромпроекта и НИИЖБ, получил широкое применение на зимних стройках различных министерств и ведомств. Во многих случаях, в комбинации с методом термоса и с введением химических добавок, электроразогрев бетонной смеси у места укладки до температуры 60-80°С полностью обеспечивает благоприятный режим для набора бетоном прочности, необходимой для распалубка конструкций на морозе.

В суровых климатических условиях Крайнего Севера и районах распространения вечномерзлых грунтов, благодаря переходу на устройство свайных оснований (вместо применявшихся ранее ленточных фундаментов), возводят многоэтажные здания различного назначения. При этом вместо прогрева бетона, укладываемого в фундаменты и сваи, погружаемые в вечномерзлый грунт, в ряде случаев используется предложение С.А. Миронова [1, 5] об учете набора прочности бетона при отрицательных температурах, близких к нулю. Учитывая, что температура вечномерзлых грунтов обычно колеблется от минус 0,5 до минус 5°С, для твердения бетона достаточно применять химические добавки в небольшом количестве.

Над вопросами теории и практики зимнего бетонирования работают во многих зарубежных странах: в Европе - в таких странах, как Англия, Бельгия, Дания, ГДР, ФРГ, Норвегия, Польша, Франция, Финляндия, Чехословакия, Швеция; в Америке - Канада и США; в Азии - Монголия, Китай и Япония, где производство строительных работ в зимних условиях имеет большое экономическое значение. В других странах в силу иных климатических условий

вопросы теории и практики зимнего бетонирования представляют меньший интерес для строителей или совсем их не интересуют. В ряде стран из-за короткого зимнего периода на 1-3 месяца объем работ резко сокращается. В таких странах, как Англия, Франция, Швейцария (за исключением горных районов) при отрицательных температурах, близких к нулю, применяются простейшие методы укладки бетона.

Для подогрева воды и заполнителей, а также для обогрева бетона в конструкциях применяется пар и теплый воздух, реже - электроэнергия. При том как в странах Америки, так и Европы большое распространение еще находят различного вида легкие тепляки, обогреваемые паром и теплым воздухом, однако, применяя быстротвердеющие цементы, ускорители твердения и легкие утеплители, часто обходятся без обогрева.

Метод электропрогрева железобетонных конструкций, хорошо зарекомендовавший себя у нас, за границей еще не находит значительного распространения из-за высокой стоимости электроэнергии. Во Франции электропрогрев применяется в ночные часы, когда электроэнергия в пять раз дешевле, чем в дневное время. В довоенный период отмечались лишь единичные случаи применения электропрогрева на зимних стройках некоторых стран. В послевоенный период этот метод стал сравнительно широко применяться на стройках в северной части Японии, во Франции, США, Финляндии, Бельгии и даже в таких странах, как Италия, Португалия, Испания.

Метод термоса, основанный на утеплении конструкции для сохранения тепла, вносимого в бетон за счет подогрева материалов, а также выделяемого при гидратации цемента применяется достаточно широко. По этому вопросу известны исследования и методы расчета охлаждения бетона на морозе, разработанные Я. Гронхольмом в Швеции [9].

В целях упрощения и удешевления производства работ в зимнее время применяют быстротвердеющие цементы и возводят здания и сооружения из сборных конструкций. Большие достижения в этом отношении имеются в Англии, Франции, ГДР, ФРГ и Чехословакии. Из сборных железобетонных

конструкций сооружаются промышленные в гражданские здания, ТЭЦ, мосты и т. п. Применение этого метода в наибольшей степени отвечает требованиям индустриализации строительства и обеспечивает высокое качество сооружении, возводимых при отрицательных температурах.

Добавки - ускорители твердения бетонов применяются в большей части совместно с пластификаторами. Добавка хлористого кальция в количестве 2-3% массы цемента вместе с воздухововлекающими и пластифицирующими добавками, а такж�