автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций

005050982

На правах рукописи

СМИРНОВА Ольга Мнхайловна

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ БЕТОНЫ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 я МАР 2013

Санкт-Петербург 2013

005050982

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре строительных материалов и технологий

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Петрова Татьяна Михайловна

Официальные оппоненты: Попов Валерий Петрович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "Самарский государственный архитектурно-строительный университет", заведующий кафедрой технологии организации строительного производства;

Ковалева Анна Юрьевна

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственны й архитектурно-строительный университет», доцент кафедры строительных материалов и технологий

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

нефтяной технический университет»

Защита состоится 09 апреля 2013 г. в 16— часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний (ауд. 219).

Тел./факс: 8 (812) 316-58-72 Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» диссертационный совет Д 212.223.01

Автореферат разослан » ухб-а^ь^"2«— 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с необходимостью интенсификации развития высокоскоростного железнодорожного транспорта в настоящее время в России остро стоит проблема повышения эксплуатационных характеристик железобетонных подрельсовых конструкций, как элемента надежного функционирования современной транспортной системы. Данные конструкции работают в сложных условиях эксплуатации, испытывая нагрузки от подвижного состава и воздействия окружающей среды, и должны сочетать в себе высокую прочность, морозостойкость, трещиностойкость, коррозионную стойкость. Такими свойствами характеризуются современные высококачественные бетоны. Получение подобных бетонов связано с применением модифицирующих добавок нового поколения, позволяющих улучшать технологические свойства бетонной смеси и эксплуатационные характеристики бетонов. Широкое применение высококачественных бетонов в производстве предварительно напряженных подрельсовых конструкций ограничивается существующей ведомственной нормативной документацией на использование определенных видов портландцемента, модифицирующих добавок, необходимостью обеспечения требуемой передаточной прочности после тепловлажностной обработки, а также наложением ограничений технологическим оборудованием, одно из которых - применение жестких бетонных смесей. В связи с этим получение высококачественных бетонов для производства подрельсовых конструкций на действующих технологических линиях с двукратной оборачиваемостью форм в сутки, обеспечивающих необходимую передаточную прочность (не менее 35МПа для бетона класса В40 и 44МПа для бетона класса В50), является актуальной задачей. Решение этой задачи может базироваться на комплексном подходе, предусматривающем использование рядовых сырьевых материалов, эффективных модификаторов структуры бетона, рациональных низкоизотермических режимов тепловлажностной обработки (ТВО).

Диссертационная работа посвящена установлению и научному обоснованию принципов получения бетонов для подрельсовых конструкций, отличающихся высокой передаточной прочностью, повышенной долговечностью и пониженной себестоимостью.

Работа выполнена при поддержке гранта для молодых ученых на проведение научных исследований ОАО «Российские железные дороги» (распоряжение №2220р от 27 октября 2010 г.), гранта правительства Санкт-Петербурга для аспирантов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга распоряжение №74 от 30.10.2012 г.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями особенностей получения высококачественных бетонов с применением эффективных водоредуцирующих добавок и тонкодисперсных минеральных компонентов занимались такие ученые как: Л.А.Алимов, Ю.М.Баженов, В.В.Бабков, В.Г.Батраков, М.И.Бруссер, А.И.Вовк, В.С.Демьянова, В.И.Калашников, С.С.Каприелов, П.Г.Комохов, Т.М.Петрова, В.Б.Ратинов, Ш.М.Рахимбаев, Р.З.Рахимов, Т.И.Ро-зенберг, A.B. Ушеров-Маршак, В.Р. Фаликман, В.Г. Хозин, А.В.Шейнфельд, ^

Й.Штарк, Й.Планк и многие др. В работах Т.М.Петровой, А.Ф.Серенко показано, что использование только суперпластификатора С-3 недостаточно для получения требуемой передаточной прочности бетона подрельсовых конструкций после низкоизотермических режимов ТВО продолжительностью не более 12 часов.

В работах Ш.Т.Бабаева, Ю.М.Баженова, Ю.М.Бутта, А.Г.Комара, П.Г.Ко-мохова, С.А.Миронова, Л.А.Малининой, О.П.Мчедлова-Петросяна, А.В.Сатал-кина, С.В.Федосова, А.Е.Шейкина и многих др. ученых установлено, что на прочность бетона после ТВО кроме характеристик цемента и водоцементного отношения значительное влияние оказывают параметры режимов паропрогре-ва. Однако в литературе недостаточное внимание уделено влиянию этих параметров на прочность бетона с поликарбоксилатными модификаторами.

В теории твердения цемента на важную роль представлений о цементном тесте как о коллоидно-химической высокодисперсной системе с электроповерхностными свойствами частиц портландцемента и продуктов его гидратации, электрогетерогенными взаимодействиями между ними указывали И.Н.Ахвер-дов, В.В.Капранов, А.Ф.Полак, М.М.Сычев и др. Вопросы влияния электроповерхностных свойств микронаполнителей на действие пластифицирующих добавок изучали В.Г.Батраков, А.Н.Плугин, Ш.М.Рахимбаев, 1.Р1апк и др. При этом вопросы влияния электроповерхностных свойств микронаполнителей на снижение жесткости бетонных смесей с поликарбоксилатными модификаторами остаются не изученными.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка высококачественных бетонов для производства предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях.

Объект исследования - бетоны для производства предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций.

Предмет исследования - составы и свойства высококачественных бетонов, обеспечивающих производство подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях с получением требуемой передаточной прочности бетона.

Задачи исследования:

- определить критерии оценки и обосновать выбор портландцементов и модифицирующих добавок для получения высококачественных бетонов;

- изучить основные закономерности влияния модифицирующих добавок на раннюю стадию гидратации портландцемента;

- установить рациональные параметры режимов тепловлажностной обработки бетона в зависимости от свойств модифицирующих добавок и портландцемента;

- произвести научно обоснованный выбор реологически активных минеральных микронаполнителей высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций;

- разработать оптимальные составы высококачественного бетона для производства подрельсовых конструкций, обеспечивающих требуемую передаточную прочность бетона после тепловлажностной обработки при снижении температуры изотермической выдержки и расхода портландцемента;

— оценить долговечность бетонов;

- провести опытно-промышленное внедрение результатов исследований.

На защиту выносится концепция получения высококачественного бетона

для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций с улучшенными эксплуатационными характеристиками, заключающаяся в использовании рядовых сырьевых материалов, химических и минеральных,модификаторов, рациональных режимов ТВО и учитывающая совокупное влияние свойств добавок, портландцемента, параметров ТВО с пониженной температурой изотермической выдержки.

Научная новизна работы:

1 .Впервые разработаны критерии оценки портландцементов, учитывающие гранулометрический состав, активность и коэффициент эффективности портландцемента после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки, для получения высококачественного бетона подрельсовых конструкций с передаточной прочностью не менее 70 % от нормативной после низкоизотермических режимов ТВО.

2.Установлены эффективные водоредуцирующие модификаторы для жестких бетонных смесей, обеспечивающие требуемую передаточную прочность бетона в возрасте 12 часов после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки. Показана зависимость между химико-минералогическим составом портландцемента и величиной водоредуцирую-щего действия модифицирующих добавок в жестких бетонных смесях.

3.Установлены оптимальные значения параметров низкоизотермического режима тепловлажностной обработки для получения высокой прочности и долговечности модифицированного бетона. Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после тепловлажностной обработки от ее продолжительности, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и водоредуцирующей добавки.

4.Предложен способ выбора реологически активных минеральных микронаполнителей для цементных композиций с водоредуцирующими добавками, основанный на определении осредненного значения электрокинетического потенциала частиц микронаполнителя с помощью прибора Zetasizer Nano с учетом щелочности среды цементных систем.

5.Установлены требования к минеральным микронаполнителям для высококачественных бетонов подрельсовых конструкций, способствующих снижению жесткости бетонной смеси и обеспечивающих уменьшение расхода портландцемента, требуемую нормативную и передаточную прочность после низкоизотермической тепловлажностной обработки.

Теоретическая и практическая значимость работы. Основные положения работы могут быть использованы в производстве сборных предварительно напряженных железобетонных конструкций с улучшенными эксплуатационными характеристиками на существующих технологических линиях производства с двукратной оборачиваемостью форм в сутки. Даны рекомендации по расходам модификаторов, гранулометрическому и химико-минералогическому составу

портландцементов, режимам ТВО с целью обеспечения требуемой передаточной прочности бетонов и их высоких эксплуатационных характеристик.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Строительные материалы и технологии» Петербургского государственного университета путей сообщения для студентов, обучающихся по специальностям «Строительство железных дорог», «Мосты и тоннели», «Промышленное и гражданское строительство», магистров направления «Строительство».

Методы исследования: рентгенофазовый анализ (дифрактометр рентгеновский XRD-6000 фирмы Shimadzu), термокинетический анализ (микрокалориметр типа Кальве), метод электронного сканирования (сканирующий электронный микроскоп модели IVS Supra55VP-3249 фирмы Zeiss), анализ гранулометрического состава частиц (лазерный дифракционный анализатор размера частиц MicroSizer 201); анализ распределения зарядов разного знака на поверхности тонкодисперсных минеральных частиц и оценка осредненного значения электрокинетического потенциала минеральной частицы (прибор ZetasizerNano фирмы Malvern Instruments). Физико-механические характеристики растворов и бетонов оценивались в соответствии с действующими ГОСТами; испытания шпал на трещиностойкость (машина испытательная тип ДГ-40) по ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные, предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм». Использованы методы статистической обработки результатов испытаний, математического планирования эксперимента.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия», п.6. Создание теоретических основ получения строительных композитов гидратационно-го твердения и композиционных вяжущих веществ и бетонов; п.7. Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается данными экспериментальных исследований, выполненных в аккредитованной испытательной лаборатории; применением современных инструментальных методов; достаточными выборками и статистической обработкой результатов; хорошей сходимостью данных, полученных в лабораторных и производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя науки», ПГУПС, г. С-Пе-тербург в 2009 г. и 2010 г.; на международных конференциях 17.IBAUSIL, 18.IBAUSIL, г. Веймар, Германия в 2009 г., 2012 г.; на 10-й Международной конференции "Modern Building Materials, Structures and Techniques», г. Вильнюс в 2010 г.; на научно-технической конференции «Бетон в современном строитель-стве-2010», г. С-Петербург; на IV международной научно-технической конференции «Популярное бетоноведение-2011», г. С-Петербург; на XIII-м Международном конгрессе по химии цемента, г. Мадрид, Испания, в 2011 г., Всерос-

сийском конкурсе "Инновационный потенциал молодежи 2012", г. Ульяновск, на конкурсе грантов 2012 года для аспирантов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, при поддержке правительства Санкт-Петербурга; на Международной научно-методической конференции «Путь XXI века» г.С-Петербург в 2013 г.

По результатам исследований получено решение на выдачу патента по заявке №2011148805 от 30.11.2011г. «Бетонная смесь».

Основное содержание диссертации опубликовано в 21 научной работе, из них пять - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 170 страниц, в том числе 152 страниц основного текста, содержащего 41 таблицу, 66 рисунков и 6 страниц приложений. Список использованных источников содержит 171 наименование.

».ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Впервые разработаны критерии оценки портландцементов, учитывающие гранулометрический состав, активность и коэффициент эффективности портландцемента после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки, для получения высококачественного бетона подрельсовых конструкций с передаточной прочностью не менее 70 % от нормативной после низкоизотермических режимов ТВО.

На основании проведенною обзора литературных данных сформулирована общая концепция получения высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций. Она реализует комплексный подход к проектированию таких бетонов, который предусматривает ряд этапов, отраженных на принципиальной схеме (рис.1), где первый этап состоит в установлении критериев оценки свойств портландцемента.

Для решения поставленных задач в исследованиях использованы отечественные портландцементы ПЦ500-Д0-Н разных заводов-производителей, применяемые для производства подрельсовых конструкций с содержанием С3Б в пределах 62,1-66,4 %; С3А - 4,1-7,9 %; Б03- 2,50-3,12 %; Я20 - 0,55-1,15 %.

Как показали результаты исследований, активность и марка портландцемента при нормальных условиях твердения, а также его активность после пропарива-ния при 80 °С не являются надежными характеристиками его эффективности при тепловой обработке с пониженной температурой изотермической выдержки (табл. 1). В связи с этим в качестве критерия оценки эффективности портландцемента при низкоизотермической тепловлажностной обработке предложено определять активность портландцемента и коэффициент его эффективности после ТВО с температурой изотермической выдержки 40° С, что позволяет научно обоснованно выбирать портландцементы для производства подрельсовых конструкций (1):

к =л //г.,

(О

гдеЛп- активность цемента после ТВО продолжительностью 12 часов с температурой изотермической выдержки 40 °С; - активность цемента при нормальном твердении в возрасте 28 суток.

Основные направления реализации концепции получения высококачественного бетона для производства подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях с использованием традиционных материалов

Рис. 1. Принципиальная схема реализации концепции исследования

Установлено, что требуемая передаточная прочность бетона класса В40 (35МПа) после ТВО с продолжительностью 12 часов и температурой изотермической выдержки 40 °С, достигается на портландцементах с коэффициентом эффективности после пропаривания при 40 °С, составляющим не менее 0,72. Для направленного выбора портландцемента для низкоизотермических режимов ТВО с коэффициентом эффективности после пропаривания при 40 °С, равным не менее 0,72, предложено использовать критерий, учитывающий его гранулометрический состав.

Влияние тонкости помола портландцемента на раннюю прочность и долговечность цементного камня показано в работах Ю.М.Баженова, В.В.Бабкова, Т.М.Петровой, С.М.Рояка, Р.Р.Сахибгареева и др., однако отсутствуют данные о влиянии гранулометрического состава на 12-ти часовую прочность цементного камня после низкотемпературной тепловой обработки.

Таблица I

Активность н коэффициенты эффективности портландцементов после ТВО

Актив- Актив- Коэффициент Группа ак- Актив- Коэффициент

Це- ность ность эффективности тивности при ность эффективно-

мент цемента, при 80°С, после пропари- пропарива- при сти после

МПа МПа вания при 80°С нии при 40°С, пропаривания

80°С МПа при 40°С

ПЦ-1 51,3 34,1 0,67 2 31,1 0,61

ПЦ-2 50,8 33,2 0,65 2 28,8 0,57

ПЦ-3 50,9 32,0 0,63 2 30,1 0,59

ПЦ-4 52,2 38,8 0,74 1 39,5 0,76

ПЦ-5 52,5 41,0 0,78 1 37,7 0,72

ПЦ-6 52,6 36,1 0,68 1 33,7 0,64

ПЦ-7 52,3 32,3 0,62 2 38,2 0,73

Сопоставление данных о гранулометрическом составе исследованных портландцементов (табл. 2) со значениями коэффициента эффективности портландцемента позволяет сделать вывод о том, что в условиях изотермической выдержки при температуре 40 °С наибольшую активность проявляют портландцемента с повышенным содержанием фракций менее 2 и 3 мкм (12-15 % и 17-20 соответственно). Коэффициент корреляции между указанными параметрами составляет 0,82. Следует отметить, что гранулометрические составы портландцементов с высокой активностью после ТВО при 40 °С соответствовали литературным данным о зерновых составах, обеспечивающих высокую долговечность и самозалечивание микротрещин в цементном камне при водоцементном отношении 0,3.

Однако, высокие значения активности и коэффициента эффективности портландцемента при низкоизотермическом режиме ТВО и установленный гранулометрический состав не являются достаточными условиями для выбора портландцементов для высококачественных бетонов, содержащих поликарбоксилат-ные водоредуцирующие модификаторы. Дополнительным условием выбора портландцементов является их совместимость с модифицирующими добавками.

Таблица 2

Гранулометрический состав портландцементов

Содержание зерен цемента размером менее, %

2 мкм 3 мкм 5 мкм 10 мкм 16 мкм 32 мкм 50 мкм 100 мкм

ПЦ-1 6,3 8,6 14,1 23,7 48,8 68,9 80,2 95,2

ПЦ-2 9,4 10,6 20,8 34,7 45,6 72,2 83,1 97,5

ПЦ-3 9,0 12,5 19,8 36,7 47,1 72,6 84,3 99,1

ПЦ-4 14,8 20,8 28,7 42,9 51,3 70,7 82,7 96,0

ПЦ-5 11,6 16,6 23,7 38,6 49,2 75,2 90,1 98,7

ПЦ-6 6,6 11,5 24,0 38,9 45,8 71,0 86,9 96,5

ПЦ-7 13,9 19,7 27,4 42,2 51,8 73,8 87,9 97,9

2. Установлены эффективные водоредуцирующие модификаторы для жестких бетонных смесей, обеспечивающие требуемую передаточную прочность бетона в возрасте 12 часов после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки. Показана зависимость между химико-минералогическим составом портландцемента и величиной водоредуцирующего действия модифицирующих добавок в жестких бетонных смесях.

Для диссертационного исследования были выбраны водоредуцирующие добавки на поликарбоксилатной основе: Glenium АСЕ 430, Glenium 51, Policarbodal 1000, Melflux 2651, Sika Viscocrete 20 Gold, Sika Viscocrete 25 Ru и на полиэтиленгликолиевой основе: Melflux PP100F. Водоредуцирующие по-ликарбоксилатные модификаторы представлены достаточно широко на строительном рынке. В связи с этим необходимо установить критерий выбора вида и расхода добавки для производства подрельсовых конструкций из жестких смесей при двукратной оборачиваемости форм в сутки.

На основе математической зависимости прочности цементного камня и бетона от вида и расхода модификаторов в разном возрасте при нормальных условиях твердения показано, что для каждой добавки существует оптимальный расход, обеспечивающий повышение прочности цементного камня и бетона в возрасте 12, 18 и 24 часов. Наибольший прирост прочности в возрасте 12 часов был получен при введении добавок Sika Viscocrete 20 Gold, Glenium АСЕ 430, Policarbodal 1000 в количестве 0,4 %. Образцы с остальными добавками в этом возрасте имели прочность сопоставимую с бездобавочными или ниже. Исследованные добавки при расходе меньшем оптимального не повышали раннюю прочность бетона вследствие недостаточного снижения В/Ц, а при расходе выше оптимального - преобладало их замедляющее действие на гидратацию портландцемента.

Таким образом, с целью получения высококачественного бетона для подрельсовых конструкций оптимальный расход модификатора необходимо назначать не из условия его максимального водоредуцирующего действия, а из условия получения максимальной прочности бетона при нормальных условиях твердения в возрасте, равном продолжительности ТВО, например, при двукратной оборачиваемости форм в сутки, в возрасте 12 часов.

Для дальнейших исследований, с учетом стоимости модификаторов, были выбраны Sika Viscocrete 20 Gold и Glenium АСЕ 430.

Для производственных составов бетона методами математической статистики установлено влияние расхода добавки и портландцемента на прочность бетона после ТВО с температурой изотермической выдержки 40 °С, а также в возрасте 28 суток (2,3) и построены изоповерхности (рис.2-3):

Rtbo= 40,676 + 0,713X1 + 3,970X2- 3,098Х12- 2,048Х22- 2,070X1X2 (2)

R28= 69,171 +6,787X1 + 11,567X2-0,647Х12+ 1,693Х22 + 1,750X1X2 (3) где XI-расход добавки Sika Viscocrete 20 Gold (%); Х2 - расход портландцемента (кг).

□ 41,0043,00

■ 39.0041.00

□ 37.0039.00

■ 35,0037,00

033,0035,00

□ 31,0033.00

■ 29.0031.00

ЕВ 27.0029.00

a 40.0050,00

Рис. 2. Прочность бетона после ТВО в зависимости от расхода портландцемента и добавки

Рис. 3. Прочность бетона в возрасте 28 суток в зависимости от расхода портландцемента и добавки

Для оценки фазообразования цементного камня при оптимальном проценте введения добавки был проведен рентгенофазовый анализ образцов после ТВО с температурой изотермической выдержки 40 °С, изготовленных из теста нормальной густоты с Sika Viscocrete 20 Gold (0,4 %) (рис. 4).

1)

2 I

1 J i« - ygSpJt j „-¡Т „® s: ШМШ^^

Рис, 4. Рентгенограммы образцов: 1 - без добавки; 2-е добавкой

0,5

Определение относительного содержания портландита осуществлялось по интенсивности пиков с! = 1,92; 2,63; 4,92А; эттрингита — по интенсивности пиков с! = 9,69; 3,88; 3,03А, алита -ё = 2,77; 2,32; 2,18; 1,76; 1,62А. При оценке влияния добавок на содержание портландита, эттрингита и алита методом РФА за единицу принимались средние интенсивности их пиков в цементном камне без добавок (рис. 5). Сопоставление полученных результатов показало, что в присутствии добавки снижается степень гидратации цемента. Следовательно, можно утверждать, что повышение прочности

портландит эттрингит алит

а Без добавки Sika 20 Gold 0,4%

Рис. 5. Влияние добавки на относительное содержание портландита, эттрингита и алита после ТВО

Рис. 6. Структура гидросиликатного сростка в образце без добавки после ТВО

Рис. 7. Структура гидросиликатного сростка в образце с добавкой после ТВО

структуры цементного камня.

При сравнении структуры гидросиликатных

новообразований при электронно-микроскопических исследованиях в образцах цементного камня после ТВО с температурой изотермической выдержки 40 °С, видно, что в образце с добавкой Sika Viscocrete 20 Gold (0.4%) образуются более тонкодисперсные и более плотные по структуре новообразования (рис. 6 и 7), что повышает количество контактов между ними и способствует повышению прочности цементного камня.

При сравнении водоредуцирующего действия добавок в равножестких бетонных смесях на разных портландцементах, установлено влияние на этот показатель содержания трехкальциевого алюмината (рис.8).

цементного камня при введении поликарбокси-латного модификатора происходит в основном за счет изменения

Снижение водопотребности 20

бетонной смеси, ^q %

О

□ ПЦ-1 (C3A=6,3%)

Рис. 8. Водоредуцирующее действие добавок в зависимости от вида цемента

Содержание S03 и щелочных металлов в выбранных портландцементах было приблизительно одинаковым, поэтому их влиянием на водоредуцирующее действие добавок можно пренебречь. Содержание растворимых щелочных сульфатов (табл. 3), рассчитанное по методике Pollit H.W.W, и Brown A.W. изменялось в узком диапазоне (0,32-0,39 %), при этом у всех семи исследованных пор-тландцементов весь S03 клинкера был связан в щелочные сульфаты, содержание которых изменялось в пределах 0,32-0,60 %.

Расход добавок, необходимый для получения равножестких бетонных смесей, изменялся в значительных пределах в зависимости от вида портландцемента. Имеется тесная корреляционная связь между содержанием С3А и водоре-дуцирующим действием поликарбоксилатного модификатора: оно составляло 11,9 % при введении 0,4 % добавки в бетонную смесь на портландцементе с содержанием С3А = 6,3 % и 10,5 % при введении 0,6 % добавки в смесь на портландце-

12

Sika 20 Sika 20 Gold 0,4% Gold 0,6% ■ ПЦ-2 (C3A=7,9%)

менте с С3А = 7,9 %. При расходе добавок, равном 0,4 %, отмечалась наибольшая зависимость их водоредуцирующего действия от вида портландцемента, а с повышением расхода добавок влияние содержания С3А на водоредуцирую-щее действие уменьшалось.

Таблица 3

Определение сульфатного модули и содержания растворимых щелочных сульфатов

Цемент r2o = Na20 + 0,658К20. к=к2о+ + 1.52Na20 so3 в клинкере Сульфатный модуль MS03= S03/0,85K При Mso3S0,5

Форма связывания щелочных металлов Содержание растворимых щелочных сульфатов, Кэ= 1,1880з

ПЦ-1 0,55 0,838 0,27 0,379 * 0,32

ПЦ-2 0,58 0,874 0,33 0,444 * 0,39

ПЦ-3 0,76 1,151 0,34 0,348 * 0,40

ПЦ-4 1.15 1,745 0,40 0,270 0,47

ПЦ-5 0,69 1,056 0,30 0,334 * 0,35

ПЦ-6 0,79 1,197 0,43 0,423 * 0,51

ПЦ-7 1,15 1,749 0,51 0,343 * 0,60

* Избыток щелочных металлов: весь Э03 связан в щелочные сульфаты

Как было установлено, для получения максимальной прочности бетона в возрасте 12 часов расход модификатора составлял 0,4% на всех выбранных портландцементах. В связи с этим для получения значительного снижения расхода воды, и соответственно, повышения ранней прочности бетона при использовании модификатора в количестве 0,4% необходимо учитывать содержание С3А в портландцементе.

Установлено, что существуют и другие факторы, помимо содержания С3А, определяющие недостаточное снижение водопотребности жестких бетонных смесей при введении поликарбоксилатных модификаторов. На портландцементах с содержанием щелочных металлов в пересчете на оксид натрия (R О) в пределах 0,79-1,15 % и при содержании растворимых щелочных сульфатов в пределах 0,47-0,60 %, наблюдалась быстрая потеря удобоукладываемости бетонных смесей с добавками через 8-15 минут от момента затворения. В то время как в равножестких бетонных смесях на этих портландцементах без добавок быстрого снижения жесткости не наблюдалось. Это согласуется с данными, полученными при исследовании тепловыделения цементного теста с добавкой Sika Viscocrete 20 Gold (0.4 %) с использованием термокинетического анализа (рис. 9-10).

При содержании в портландцементе щелочных металлов в пересчете на оксид натрия R20 = 0,55 интенсивный рост новообразований, оцениваемый по первому экзоэффеклу, наступает через 3-5 минут после затворения и совпадает с моментом перемешивания смеси. Увеличение содержания R^O сопровождается смещением 1-го пика: экзоэффект наступает через 8-12 минут после затворения. Несмотря на уменьшение величины тепловыделения, указанное временное

смещение, вероятно, является причиной резкого снижения «времени жизни» смеси.

»ПЦ-1 (R20=0,55) • ПЦ-б (R20=0,79)

48 60 t, мин.

ПЦ-4 (R20=l,15)

ПЦ-7 (R20=l,15)

"ПЦ-1 (R20=0,55) —— • ПЦ-6 (R20=0,79) -—

36 48 60 t, мин.

ПЦ-4 (R20=l,15) ПЦ-7 (R20=l,15)

Рис. 9. Скорость тепловыделения портландцементов в течение первого часа гидратации

Рис. 10. Суммарное тепловыделение портландцементов в течение первого часа гидратации

В присутствии добавки время проявления и величина 2-го экзоэффекта обусловлены количеством зерен тонких фракций: корреляция между содержанием щелочных металлов и тепловыделением слабая (рис. 11 и 12).

•ПЦ-1 (R20=0,55) ■ ПЦ-6 (R20=0,79)

20 25 t, час ПЦ-4 (R20=l,15)

■ПЦ-7 (R20=l,15)

i Ч

- ПЦ-1 (R20=0,55) • ПЦ-6 (R20=0,79)

■ ПЦ-4 (R20=l,15) -ПЦ-7 (R20=1,1S)

Рис. 11 Скорость тепловыделения цементов в Рис. 12. Суммарное тепловыделение цементов течение 25 часов гидратации в течение 25 часов гидратации

Таким образом, в качестве водоредуцирующей добавки целесообразно применять Sika Viscocrete 20 Gold или Glenium АСЕ 430 с расходом 0,4 % (от массы портландцемента). Для обеспечения совместимости с добавкой портландцемен-ты должны характеризоваться пониженным содержанием С3А - не более 6,3 % и содержанием щелочных оксидов R20 - не более 0,79 %.

3. Установлены оптимальные значения параметров низкоизотермического режима ТВО для получения высокой прочности и долговечности модифицированного бетона. Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после ТВО от ее продолжительности, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и водоредуцирующей добавки.

Показано, что продолжительность предварительной выдержки бетона перед ТВО целесообразно назначать, исходя из срока начала схватывания цементного теста с поликарбоксилатным модификатором. При оптимальном расходе модификатора выдержка составила 2,5-3 часа в отличие от применяемой в производстве подрельсовых конструкций выдержки, равной 1,5-2 часа.

Для определения

Таблица 4

Влияние скорости подъема температуры на прочность растворной составляющей бетона (В/Ц=0,3)

Вид цемента Добавка Прочность на сжатие после ТВО, МПа

3+1+7+1 /40°С 3+2+6+1 /40°С 3+3+5+1 /40°С

ПЦ 1 Sika Viscocrete 20 Gold 0,4% 42,9 44,1 48,1

ПЦ5 Sika Viscocrete 20 Gold 0,4% 44,9 50,8 49,9

ПЦ 1 Gleniura ACE430 0,4% 43,2 43,8 50,8

ПЦ 5 Glenium ACE430 0,4% 45,9 51,3 48,9

влияния скорости подъема температуры на прочность бетона с оптимальным расходом добавки после ТВО были выбраны режимы с температурой изотермической выдержки, равной 40 °С (так как при этой температуре получен наибольший прирост прочности бетона с добавкой по сравнению с бездобавочным) и общей продолжительностью 12 часов, отличающиеся скоростью подъема температуры (табл. 4). Для сравнения были выбраны портландцементы с различным содержанием тонких фракций.

Из табл. 4 видно, что наибольшую прочность бетон достигает при скорости подъема температуры 7-10 °С/час. При этом для портландцемента с содержанием зерен размером менее Змкм в пределах 17-20% и коэффициентом эффективности при низкоизотермическом режиме ТВО, равном не менее 0,72 (ПЦ-5), скорость подъема температуры может составлятьЮ °С/час.

Кроме активности портландцемента при низкоизотермическом режиме ТВО предложено учитывать активность портландцемента с добавкой при такой же температуре изотермической выдержки. Исследования показали, что в зависимости от вида модификатора изменяется оптимальное значение температуры изотермической вы-

держки, соответствующее условию достижения максимальной прочности. Определение влияния температуры изотермической выдержки проводилось при скорости подъема температуры 7-8 °С/час (табл. 5).

Таблица 5

Влияние температуры изотермической выдержки на прочность растворной составляющей бетона

Добавка, % В/Ц Прочность на сжатие после ТВО, МПа/%

3+1+7+1 /30°С 3+3+5+1 /40°С 3+4+3+2 /50°С 3+5+2+2 /60°С

0 0,34 28,1/100 33,6/100 37,1/100 37,8/100

Glenium АСЕ 430 0,4% 0,30 39,2/139 49,3/146 48,9/131 48,8/129

Sika Viscocrete 20 Gold 0,4% 0,30 39,8/141 50,9/151 52,3/140 49,9/132

Установлено, что максимальные абсолютные значения прочности образцов бетона с добавкой Sika 20 Gold могут быть получены при температуре изотермической выдержки 50 °С, Glenium АСЕ 430 - 40 °С. При этом максимальный прирост прочности бетона с добавками после ТВО по сравнению с бездобавочным достигается при температуре изотермической выдержки 40 °С.

В связи с этим, для снижения расхода портландцемента при введении водо-редуцирующего модификатора необходимо, чтобы портландцемент имел высокую активность при оптимальной температуре изотермической выдержки для данного модификатора.

Предложено одновременно определять коэффициент эффективности портландцемента с поликарбоксилатным модификатором при низкоизотермическом режиме ТВО (например, при температуре изотермии 40, 50 и 60 °С) (4) и оптимальную температуру изотермической выдержки (табл. 6):

где Rdl - активность цемента с добавкой после ТВО с температурой изотермической выдержки t = 40, 50 и 60 °С; R4d - активность цемента с добавкой при нормальном твердении в возрасте 28 суток.

Коэффициент эффективности портландцемента с добавкой при низкоизотермическом режиме ТВО позволяет установить оптимальную температуру изотермической выдержки с учетом свойств добавки и портландцемента.

Таблица 6

Коэффициент эффективности портландцемента с добавкой при низкоизотермическом режиме ТВО

Состав Коэффициент эффективности цемента при 40°С, К„ Rd-10 Rd50 Rd60 Кд40 Кд50 КдбО

Sika 20 Gold 0,4% (ПЦ-1) 0,61 43,3 45,8 42,1 57,6 0,75 0,80 0,73

Sika 20 Gold 0,4% (ПЦ-5) 0,72 46,8 46,7 45,1 56,9 0,82 0,82 0,79

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

Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после ТВО от продолжительности ТВО, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и добавки. Для этого рассмотрена многофакторная задача нахождения зависимости прочности бетона У от следующих факторов: - расхода добавки (0,3; 0,4; 0,5 %), Яс - расхода цемента (400, 440, 480, кг), I - продолжительности ТВО (10,12, 14 час), Т§гас1 - температуры изотермической выдержки (40 °С, 50 °С, 60 °С).

Уравнение функции регрессии У представляется в виде многочлена 2-й степени от 4-х переменных, со значимыми оценками параметров и коэффициентом Я2 =95,32 %, в виде:

Y = -330,5 + 445,6*Rd + 1,2*Rc - 395,9*Rd2 - 0,4*Rd*Rc + 3,9*Rd*t + + 0,2*Rd*Tgrad - 0,00 l*Rc2.

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

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

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

4. Предложен способ выбора реологически активных минеральных микронаполнителей для цементных композиций с водоредуцирующими добавками, основанный на определении осредненного значения электрокинетического потенциала частиц микронаполнителя с помощью прибора Zetasizer Nano с учетом щелочности среды цементных систем.

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

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

В исследованиях использованы гранулированные доменные шлаки: ОАО "Тулачермет" и ОАО «Северсталь» (с модулем основности 1,04 и 1,02 соответственно), два вида природного песка (обозначены 1 и 2). Микронаполнители

Микронаполнитель Содержание частиц размером менее, %

1 мкм 5 мкм 10 мкм 50 мкм

Шлак «Тулачермет» 4,1 29,8 49,6 100

Шлак «Северсталь» 6,2 31,8 48,1 93,9

Песок 1 13,0 62,2 92,5 100

Песок 2 12,8 60,0 88,3 100

Таблица 7 были получены с помощью центро-Гранул(¡метрический состав бежно-эллиптической мельницы

АС 100 (класс мельниц "Активатор С") фирмы Оу CYCLOTEC Ltd - Финляндия. Гранулометрический состав микронаполнителей представлен в табл. 7.

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

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

8 £

4000000 3000000 2000000 1000000 о

! J ¿ii 1А..1Л

*

3000000 „ I 2500000 1 ™ 2000000 S i 1500000

-100

■ ПЦ е дисгиллирова i

■ ПЦ рН=12 (NaOH)

100 Заряд, мВ

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

- - " - Шлак Северсталь,

дистиллированная вода ——™ Шлак Северсталь, рН=12 (N3041

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

На частицах молотого песка 1 преобладали отрицательные заряды и осредненный ¡¡-потенциал при рН = 12 был равен —2,88 мВ, он мало изменился при введении добавки Sika Viscocrete 20 Gold и составил -3,26 мВ. Этот микронаполнитель в составе цементных систем повышал водоредуцирующее действие

добавок на основе эфиров поликарбоксилатов в пределах 17 %. В отличие от микронаполнителя из песка 2, который имел практически равное количество отрицательных и положительных зарядов на своей поверхности и осредненный ¡¡-потенциал при рН=12 у его частиц был равен -0,06 мВ. При введении добавки Sika Viscocrete 20 Gold осредненный ¡¡-потенциал частиц составил -4,25 мВ, что может подтверждать адсорбцию добавки на частицах этого микронаполнителя.

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

5.Установлены требования к минеральным микронаполнителям для высококачественных бетонов подрсльсовых конструкций, способствующих снижению жесткости бетонной смеси и обеспечивающих уменьшение расхода портландцемента, требуемую нормативную и передаточную прочность после низкоизотермической тепловлажностной обработки.

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

Для обеспечения требуемой передаточной прочности бетона класса В50 на технологических линиях по производству шпал OLM1 используются бетонные смеси с жесткостью 11 секунд, что не полностью удовлетворяет требованиям к смесям для этих линий и приводит к увеличению продолжительности виброуплотнения смеси и снижению производительности линий.

Замена портландцемента реологически активным микронаполнителем из песка 1, имеющим наиболее отрицательное значение осредненного электрокинетического потенциала частиц, в количестве 5 % в составах бетона класса В50 с добавкой Sika Viscocrete 20 Gold (0.4 %) позволила уменьшить жесткость смеси с 11 секунд до 1-2 секунды без снижения нормативной и передаточной прочности после низкоизотермического режима ТВО (табл. 8). Марка по морозостойкости бетона с микронаполнителем составила F500.

Таолица 8

Влияние микронаполнителей на свойства бетонном смеси и прочность бетона

Ж, сек. В/Ц Вид наполнителя Расход, кг/м3 Прочность, МПа

Ц Наполнитель 12 час. 28 сут.

11 0,30 - 480 - 50,5 72,6

1-2 0,30 Песок 1 456 24 51,0 72,5

10 0,30 Песок 2 456 24 49,2 70,1

8 0,30 Шлак Тула 456 24 48,6 73,8

6 0,30 Шлак Северсталь 456 24 48,9 74,3

Примечание: все составы содержали добавку Sika Viscocrete 20 Gold (0,4%)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Ha основе теоретических, экспериментальных и производственных исследований получены математические зависимости влияния технологических параметров на получение высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций. Улучшение прочностных и эксплуатационных характеристик бетона на рядовых сырьевых материалах было достигнуто за счет комплексного подхода, предусматривающего использование эффективных модификаторов структуры и применения низкоизотермических режимов ТВО.

2.В качестве критерия выбора портландцемента для высококачественного бетона подрельсовых конструкций целесообразно использовать коэффициент эффективности портландцемента после низкоизотермического режима ТВО. При значении данного показателя 0,72 и более портландцемент является эффективным для обеспечения передаточной прочности, равной не менее 70 % от нормативной после низкотемпературной ТВО. Проявление высокой эффективности после низкотемпературной ТВО отмечено у портландцементов с содержанием зерен размером менее 3 мкм в количестве превышающем 17 %.

3.В качестве эффективных водоредуцирующих модификаторов жестких бетонных смесей выбраны Sika Viscocrete 20 Gold и Glenium АСЕ 430 вводимые в количестве 0,4 %, и обеспечивающие получение требуемой передаточной прочности бетона в возрасте 12 часов при снижении температуры изотермической выдержки с 80 °С до 40 °С. Для получения высокого водоредуцирующего действия добавок при указанном расходе, содержание С3А в портландцементе не должно превышать 6,3 %.

4.Исходя из условия получения высокой прочности и долговечности установлены значения параметров ТВО бетона, модифицированного добавками на основе эфиров поликарбоксилатов: продолжительность предварительной выдержки 2,5-3 часа; скорость подъема температуры 7-10 °С/час; температура изотермической выдержки 40-50 °С.

5.На основе предложенного способа выявления реологически активных минеральных микронаполнителей для цементных композиций с водоредуциру-ющими добавками, установлено, что микронаполнитель с осредненным электрокинетическим потенциалом, равным—3,26 мВ при рН = 12, повышает водоре-дуцирующее действие добавки на 17 %.

6. Использование в качестве микронаполнителя в высококачественные бетоны реологически активных минеральных веществ в количестве 5 % от массы портландцемента совместно с водоредуцирующей добавкой позволило снизить жесткость смеси с 11 до 2 сек. при сохранении требуемой передаточной прочности после низкоизотермической тепловлажностной обработки, а также в возрасте 28 суток, с улучшением качества поверхности бетона и повышения производительности при изготовлении шпал на линии OLMI.

7.Подтверждено положительное влияние снижения температуры изотермической выдержки с 80 до 40 °С на долговечность бетона: марка по морозостойкости бетона класса В40 повысилась с F200 до F300, бетона с выбранными добавками до F400; для бетона класса В50 - до F500. При испытании натрещи-

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

8. Достоверность установленных закономерностей подтверждается результатами опытно-производственного изготовления высококачественных бетонов класса В40 и В50 для подрельсовых конструкций на Чудовском, Вяземском заводах и заводе ЖБИ-6 (г. Энгельс) по производству железобетонных шпал. Расчетный экономический эффект применения высококачественного бетона для подрельсовых конструкций на Чудовском заводе с объемом выпуска 1 млн шпал в год и двукратной оборачиваемостью форм в сутки составляет 29,1 млн р в год.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Смирнова, О.М. Современные модифицирующие добавки для производства сборного бетона и железобетона / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова // Известия ПГУПС. - СПб. -№4. - 2010. - С.203-212.

2.Смирнова, О.М. Свойства пластифицированных композиций портландцемент-доменный шлак с учетом электроповерхностных явлений / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова, С.Т. Фролов // Вестник гражданских инженеров. -№2(27). -2011. - С.118-123.

3.Смирнова, О.М. Бетоны с повышенной ранней прочностью на основе портландцементов ПЦ500-Д0-Н и ЦЕМ 1 42,5Н / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова // Вестник гражданских инженеров. -№4(29). - 2011. - С.91-96.

4. Смирнова, О.М. Требования к гранулометрическому составу портландцементов для производства сборного железобетона по малопрогревной технологии / О.М. Смирнова // Цемент и его применение. - №2. - 2012. - С.205-207.

5.Смирнова, О.М. Зависимость прочности бетона с добавками на поликар-боксилатной основе от свойств портландцемента после низкотемпературной теп-ловлажностной обработки / О.М. Смирнова // Известия вузов. Строительство. -№9. - 2012. - С.20-27.

В других изданиях:

6.Смирнова, О.М. Бетоны с гиперпластификаторами: технология изготовления, свойства, применение: Сб. трудов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя науки-2009» / О.М. Смирнова // ПГУПС. - СПб., 2009. - С.94-98.

7.Смирнова, О.М. Современные подходы к проектированию составов высокопрочных бетонов / Т.М. Петрова, H.A. Джаши, О.М. Смирнова // Строительный тендер. - 2009. - №42. - С.32-33.

8. Смирнова, О.М. Influence of Chemical Additives upon Structure and Strength in Cement Systems at an Early Stage of Hardening: Сб.трудов международной конференции 17.IBAUSIL / Т.М. Петрова, А.Ф. Серенко, О.М. Смирнова // Weimar, Германия. - 2009. - Т.1. - С. 0655-0660..

9. Смирнова, О.М. Самоуплотняющийся бетон: история и современность / Т.М. Петрова, А.Ф. Серенко, H.A. Джаши, О.М. Смирнова // Строительный тендер. - 2009. - №40-41. - С.44-46.

10. Смирнова, О.М. Influence of fine mineral fillers on properties of plasti-cized cement compositions: Сб. докладов 10th International Conference "Modern Building Materials, Structures and Techniques» / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова // Вильнюс, Литва. - 2010. - С.250-254.

11. Смирнова, О.М. Современные модифицирующие добавки в бетоны: Сб. докладов XV Академических чтений РААСН / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова // Казань. - 2010. - Т.1. - С.247-252.

12. Смирнова, О.М. Использование тонкодисперсных минеральных наполнителей в технологии производства бетона: Сб. трудов IV Международной конференции «Проблемы рационального использования сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова // Архангельск. - 2010. - С. 137-141.

13. Смирнова, О.М. Беспрогревные и малопрогревные технологии производства сборного железобетона / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова, Е.В. Вихко, Серенко, С.Т. Фролов // Строительный тендер. - 2010. - №45. - С.28-29.

14. Смирнова, О.М. Водоредуцирующее действие гиперпластификаторов в композициях портландцемент-минеральный наполнитель: Сб. докладов ^научно-технической конференции «Бетон в современном строительстве-2010» / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова// «Популярное бетоноведение». -№1(33). - 2010. -С.74-75 .

15. Смирнова, О.М. Использование тонкодисперсных минеральных наполнителей для получения бетона с высокой ранней прочностью: Сб. трудов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя науки-2010» / О.М. Смирнова // ПГУПС. - СПб., 2010. - С.65-67.

16. Смирнова, О.М. Some properties of plasticized compositions of Portlandcement-granulated blast furnace slag: Сб. докладов Х1П Международного конгресса по химии цемента / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова, P.O. Шабиев // Мадрид, Испания. - 2011. - С.135, CD-ROM

17. Смирнова, О.М. Влияние химико-минералогического состава порт-лан-дцемента на раннюю прочность бетона с пластифицирующими добавками: Сб. докладов IV международной научно-технической конференции «Популярное бетоноведение-2011»/Т.М. Петрова, О.М. Смирнова, Е.В. Андреева //СПб., 2011. — С.117-119.

18. Смирнов^ О.М, Ресурсосберегающие технологии производства сборного бетона и железобетона: Сб. работ инновационных проектов по результатам Всероссийского конкурса "Инновационный потенциал молодежи 2012" / О.М. Смирнова // Ульяновск, 2011. - Ч.З. - С.53-57

19. Смирнова, О.М. Influence of Portland cement properties on the early strength of concrete with polycarboxylate-based superplasticizers [Текст]: Сб. трудов международной конференции 18.IBAUSIL/ Т.М. Петрова, О.М. Смирнова, И.А. Стасюк, H.A. Джаши //Weimar, Германия. - 2012. - Т.2. - С. 0660-0667.

20. Смирнова, О.М. Оценка электрокинетического потенциала ультра-дисперсных минеральных частиц - как способ выявления реологически активных наполнителей в пластифицированных цементных композициях [Текст]: Сб. тезисов XII Санкт-Петербургской Ассамблеи молодых ученых и специалистов / О.М. Смирнова // СПб.: Издательство РГГМУ. - 2012. - С.189.

21. Смирнова, О.М. Возможности снижения жесткости бетонных смесей для производства подрельсовых конструкций на линиях ОЬМ1 [Текст]: Сб. тезисов международной научно-методической конференции «Путь XXI века» / О.М. Смирнова // ПГУПС. - 2013. - С.47.

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 27.02.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 11. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

На правах рукописи,

СМИРНОВА Ольга Михайловна

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ БЕТОНЫ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПОДРЕЛЬСОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

00 Диссертация на соискание ученой степени

^ кандидата технических наук

00

ю „ ю £

со

^ Научный руководитель:

^ О Д.т.н., профессор Т.М.Петрова

СМ ^

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ..............................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОЛУЧЕНИЯ

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая технологическая схема производства железобетонных шпал.... 10

1.2. Особенности технологии высококачественных бетонов применительно для преднапряженных подрельсовых конструкций......... 14

1.3. Существующие научные представления о факторах, обусловливающих повышение ранней прочности бетона......................20

1.4. Роль современных водоредуцирующих добавок в обеспечении

ранней прочности высококачественного бетона...................................23

1.4.1. Влияние структуры молекул эфиров поликарбоксилатов

на раннюю прочность цементного камня...........................................23

1.4.2. Основные факторы, влияющие на водоредуцирующую эффективность добавок на основе эфиров поликарбоксилатов................26

1.5. Влияние физико-химических свойств портландцемента на

раннюю прочность.......................................................................29

1.6. Тепловлажностная обработка с низкоизотермическими режимами как элемент получения высококачественного бетона

с требуемой передаточной прочностью.............................................32

Выводы по главе 1 .............................................................................. 34

Цели и задачи исследований.......................................................... 36

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Характеристики материалов.......................................................38

2.2. Методики исследований......................................................... 44

2.3. Факторное пространство экспериментальных исследований............47

ГЛАВА 3. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ И ПОЛИКАРБОКСИЛАТНЫХ МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО БЕТОНА ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Выбор портландцементов для высококачественного бетона подрельсовых конструкций...........................................................49

3.1.1. Активность портландцементов при тепловлажностной

обработке с пониженной температурой изотермической выдержки.........49

3.1.2. Оценка влияния гранулометрического состава

портландцементов на кинетику набора пластической прочности............53

3.2. Выбор водоредуцирующих модификаторов для

высококачественного бетона подрельсовых конструкций......................56

3.2.1. Сравнение добавок по их водоредуцирующему действию............57

3.2.2. Влияние содержания щелочных металлов в составе портландцемента на свойства водоредуцированной бетонной смеси..........63

3.2.3. Термокинетический анализ цементного теста и камня с добавкой....66

3.2.4. Влияние вида добавок на основе эфиров

поликарбоксилатов на сохранение подвижности бетонной смеси..........69

3.2.5. Определение оптимальных расходов добавок для

повышения ранней прочности цементного камня ............................... 70

3.3. Основные закономерности процессов структурообразования

цементного камня, модифицированного добавками.............................81

3.3.1. Рентгенофазовый анализ .....................................................81

3.3.2. Электронномикроскопический анализ ....................................88

Выводы по главе 3.....................................................................93

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Режимы тепловлажностной обработки бетона с

добавками на основе эфиров поликарбоксилатов ..............................95

4.1.1. Продолжительность предварительной выдержки бетона............96

4.1.2. Скорость подъема температуры ............................................102

4.1.3. Влияние температуры изотермической выдержки на

прочность бетона с поликарбоксилатными модификаторами ............... 106

4.2. Оценка влияния расхода поликарбоксилатных модификаторов и портландцемента на прочность бетона

в условиях низкоизотермических режимов ТВО .............................. 108

4.3. Выбор и оценка реологически активных минеральных микронаполнителей для высококачественных

бетонов подрельсовых конструкций .............................................. 130

4.3.1. Роль электроповерхностных свойств и явлений в процессах пластификации цементных систем,

содержащих тонкодисперсные минеральные наполнители................ 131

4.3.2. Оценка электроповерхностных свойств минеральных микронаполнителей с учетом

щелочности среды цементных систем ............................................. 134

4.4. Принципы проектирования составов высококачественных

бетонов для подрельсовых конструкций .......................................... 139

Выводы по главе 4

143

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1. Морозостойкость разработанных высококачественных бетонов ...... 145

5.2. Опытно-промышленное изготовление железобетонных шпал ........152

5.3.Трещиностойкость подрельсовых конструкций, изготовленных

на основе высококачественного бетона .......................................... 157

5.4.Экономическая эффективность применения высококачественных

бетонов в производстве подрельсовых конструкций.......................... 160

Выводы по главе 5..................................................................... 165

Общие выводы.........................................................................166

Список литературы..................................................................... 168

Приложения............................................................................ 186

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи с необходимостью интенсификации развития высокоскоростного железнодорожного транспорта в настоящее время в России остро стоит проблема повышения эксплуатационных характеристик железобетонных подрельсовых конструкций, как элемента надежного функционирования современной транспортной системы. Данные конструкции работают в сложных условиях эксплуатации, испытывая нагрузки от подвижного состава и воздействия окружающей среды, и должны сочетать в себе высокую прочность, морозостойкость, трещиностойкость, коррозионную стойкость. Такими свойствами характеризуются современные высококачественные бетоны. Получение подобных бетонов связано с применением модифицирующих добавок нового поколения, позволяющих улучшать технологические свойства бетонной смеси и эксплуатационные характеристики бетонов. Широкое применение высококачественных бетонов в производстве предварительно напряженных подрельсовых конструкций ограничивается существующей ведомственной нормативной документацией на использование портландцементов определенных видов, модифицирующих добавок, необходимостью обеспечения требуемой передаточной прочности после тепловлажностной обработки, а также наложением ограничений существующим технологическим оборудованием, одно из которых - применение жестких бетонных смесей. В связи с этим получение высококачественных бетонов для производства подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях с двукратной оборачиваемостью форм в сутки, обеспечивающих необходимую передаточную прочность (не менее 35МПа для класса В40 и 44МПа для класса В50), является актуальной задачей. Решение этой задачи может базироваться на комплексном подходе, предусматривающем использование рядовых сырьевых материалов, эффективных модификаторов структуры бетона, рациональных низкоизотермических режимов тепловлажностной обработки.

Диссертационная работа посвящена установлению и научному обоснованию принципов получения бетонов для подрельсовых конструкций, отличающихся высокой передаточной прочностью, повышенной долговечностью и пониженной себестоимостью.

Работа выполнена при поддержке гранта для молодых ученых на проведение научных исследований ОАО «Российские железные дороги» (распоряжение №2220р от 27 октября 2010г.), гранта правительства Санкт-Петербурга для аспирантов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга распоряжение №74 от 30.10.2012г.

Объект исследования - бетоны для производства железобетонных подрельсовых конструкций.

Предмет исследования - составы и свойства высококачественных бетонов, обеспечивающих производство железобетонных подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях с получением требуемой передаточной прочности.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка высококачественных бетонов для производства предварительно напряженных подрельсовых конструкций на существующих технологических линиях.

В соответствии с поставленной целью в работе определены следующие задачи исследования:

- определить критерии оценки и обосновать выбор портландцементов и модифицирующих добавок для получения высококачественных бетонов;

- изучить основные закономерности влияния модифицирующих добавок на раннюю стадию гидратации портландцемента;

- установить рациональные параметры режимов тепловлажностной обработки бетона в зависимости от свойств модифицирующих добавок и портландцемента;

- произвести научно обоснованный выбор реологически активных минеральных микронаполнителей высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций;

- разработать оптимальные составы высококачественного бетона для производства предварительно напряженных подрельсовых конструкций, обеспечивающих требуемую передаточную прочность бетона после теп-ловлажностной обработки при снижении температуры изотермической выдержки и расхода портландцемента;

- оценить долговечность бетонов;

- провести опытно-промышленное внедрение результатов исследований.

На защиту выносится концепция получения высококачественного бетона для предварительно напряженных подрельсовых конструкций с улучшенными эксплуатационными характеристиками, заключающаяся в использовании рядовых сырьевых материалов, химических и минеральных модификаторов, рациональных режимов тепловлажностной обработки (ТВО) и учитывающая совокупное влияние свойств добавок, портландцемента, параметров ТВО с пониженной температурой изотермической выдержки.

Научная новизна работы:

- впервые разработаны критерии оценки портландцементов, учитывающие гранулометрический состав, активность и коэффициент эффективности портландцемента после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки, для получения высококачественного бетона подрельсовых конструкций с передаточной прочностью не менее 70% от нормативной после низкоизотермических режимов ТВО.

- установлены эффективные водоредуцирующие модификаторы для жестких бетонных смесей, обеспечивающие требуемую передаточную прочность бетона в возрасте 12 часов после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки. Показана зависимость между химико-минералогическим составом портландцемента и величиной водоредуцирующего действия модифицирующих добавок в жестких бетонных смесях.

- установлены оптимальные значения параметров низкоизотермического режима тепловлажностной обработки для получения высокой прочности и долговечности модифицированного бетона. Получена обобщенная математическая зависимость прочности бетона после тепловлажностной обработки от ее продолжительности, температуры изотермической выдержки, расхода портландцемента и водоредуцирующей добавки.

- предложен способ выбора реологически активных минеральных микронаполнителей для цементных композиций с водоредуцирующими добавками, основанный на определении осредненного значения электрокинетического потенциала частиц микронаполнителя с помощью прибора Zetasizer Nano с учетом щелочности среды цементных систем.

- установлены требования к минеральным микронаполнителям для высококачественных бетонов подрельсовых конструкций, способствующих повышению подвижности бетонной смеси и обеспечивающих снижение расхода портландцемента, требуемую нормативную и передаточную прочность после низкоизотермической тепловлажностной обработки.

Практическая значимость работы состоит в том, что основные ее положения могут быть использованы в производстве сборных предварительно напряженных железобетонных конструкций с улучшенными эксплуатационными характеристиками на существующих технологических линиях производства с двукратной оборачиваемостью форм в сутки. Даны рекомендации по расходам модификаторов, гранулометрическому и химико-минералогическому составу портландцементов, режимам тепловлажностной обработки (ТВО) с целью обеспечения требуемой передаточной прочности бетонов и их высоких эксплуатационных характеристик.

г

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ ПОДРЕЛЬСОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая технологическая схема производства железобетонных шпал

Технологический процесс производства железобетонных шпал складывается из следующих операций: приготовление бетонной смеси марки по удобоукладываемости Ж2, армирование изделий проволокой ВрЗ с механическим натяжением арматуры, формование, тепловлажностная обработка по режиму 2+3+4+3/80°С, обеспечивающая получение требуемой передаточной прочности бетона к заданному сроку.

Для приготовления бетонных смесей используют портландцемент марки ПЦ500Д0-Н (нормированного состава, где С3А составляет не более 8%). Для бетона класса В40 расход портландцемента составляет 450-500 кг/м3,

о

для бетона класса В50 - 500 кг/м . Бетон класса В50 изготовляют с использованием суперпластификатора С-3 или СП-1. Недостатком составов является высокий расход портландцемента, т.к. составы подобраны исходя из обеспечения требуемой передаточной прочности бетона после тепловлаж-ностной обработки с температурой изотермической выдержки 80°С, а не нормативной прочности. Из соображений ускорения набора прочности бетона используют жесткие бетонные смеси марки по удобоукладываемости Ж2, с водоцементным отношением 0,4 согласно ОСТ 32.152-2000 «Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации».

При изготовлении предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций в зоне растягивающих напряжений в бетоне создают предварительное обжатие, величина которого превышает напряжение

растяжения, возникающее в бетоне при эксплуатации. Обжатие бетона осу-

10

ществляется силами упругого последействия натянутой арматуры. Это достигается за счет сцепления арматуры с бетоном. В качестве арматуры применяют проволочную диаметром 3 мм. Натяжение арматуры производят механическим способом с помощью домкратов. Отпуск напряженной арматуры (обжатие бетона) производят после достижения бетоном конструкции необходимой передаточной прочности. Прочность бетона при отпуске арматуры (нормируемая передаточная прочность) согласно ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные, предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм» принимается равной 32 МПа (326 кгс/см2). Фактическая прочность бетона определяется испытанием контрольных образцов.

По способу формования в общем можно выделить три схемы производства железобетонных изделий.

1. Изготовление изделий производится в неперемещаемых формах. В этом случае все технологические операции осуществляются на одном месте. К этому способу относится формование изделий в кассетах.

2. Изготовление изделий производится в перемещаемых формах. В этом случае отдельные технологические операции осуществляются на специализированных постах. В зависимости от степени расчлененности технологического комплекса по отдельным постам различают конвейерный, имеющий наибольшую расчлененность, и поточно-агрегатный способы.

3. Способ непрерывного формования изделий осуществляется на вибропрокатном стане.

При производстве предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций используют поточно-агрегатный способ. Собранная и смазанная форма с уложенной в нее арматурой устанавливается на виброплощадку, заполняется бетонной смесью с помощью бетоноукладчика и включается виброплощадка (рис. 1.1). Через 3-5 минут (на следующем посту) освобождают торцы и отверстия в подрельсовом сечении свеже-отформованных шпал (рис. 1.2). В связи с этим к обеспечению жесткости

смеси предъявляются строгие требования. Это необходимо для исключения

11

заплывания торцов и отверстий при снижении жесткости или увеличения продолжительности вибрации при повышении жесткости.

Рис. 1.1.Уплотнение бетонной смеси на виброплощадке

Рис. 1.2. Освобождение торцов и отверстий в под�