Исследование свойств бетонных смесей и бетонов на основе тонкомолотых вяжущих в условиях сухого жаркого климата

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Важнейшей проблемой строительства является дальнейшее совершенствование технологии бетона и железобетона, главным образом, позиции экономии цемента, снижения стоимостных и энергетических затрат.

Повышение качества и эффективности бетонных и железобетонных изделий в условиях сухого жаркого климата связано, прежде всего, с экономией цемента и со снижением дефектности структуры при учёте влияния среды. В настоящее время накоплен позитивный опыт эффективного применения пластицифирующих гидрофильных и гидрофобных добавок. Если первые особо эффективны при воздействии на бетонную смесь, то вторые способствуют и улучшению первоначального структурообразования бетона, уменьшают его водопотери и миграцию влаги.

В последние годы в результате разработки эффективных добавок, в том числе суперпластификаторов, а также получения способов многокомпонентных вяжущих путем механико-химической активации, включающих домол цемента с тонкомолотыми минеральными добавками и суперпластификаторами, расширяются возможности решения проблемы совершенствования технологии бетонных и железобетонных изделий в условиях сухого жаркого климата на новом уровне.

Свойства бетонной смеси определяются характером и значением сил, действующих между частицами твердой фазы и жидкостью. В бетонной смеси, изготовленной на основе ТМЦ и ВНВ вследствие более высокой удельной поверхности цементных частиц и введения заметного количества суперпластификатора, существенно изменяется баланс действующих сил.

Возрастает сила внутреннего сцепления, но на ее величину в большей мере влияют изменения водосодержания или вибрационные воздействия. Возможно же изменения температуры в меньшей степени будут проявляться в изменении свойств бетонной смеси, так как достаточное насыщение суперпластификатором будет в известной мере нейтрализовать влияние новообразований цемента. Поскольку увеличение тонкости помола цемента при одновременном увеличении дозировки суперпластификатора по своей физической природе, проявляется наиболее значительно в бетонной смеси, а не в отвердевшем бетоне.

В изменении свойств бетона и в экономии цемента при применении ТМЦ и ВНВ большая доля эффективности (до 70-80%) определяется изменением именно реологических и технических свойств бетонной смеси. Поэтому определение этих свойств с учетом влияния различных факторов имеет большое научное и практическое значение. Изучению этих и других важных для практики свойств бетонных смесей на основе ТМЦ и ВНВ посвящена данная работа.

Одним из способов решения этой проблемы является использование ТМЦ в технологии различных видов бетона, позволяющих сократить расход клинкерной составляющей до 50-70%.

Однако, отсутствие, в настоящее время, обоснованных рекомендаций по применению новых видов вяжущих в технологии бетонных и железобетонных изделий в условиях сухого жаркого климата, требует установления основных закономерных свойств приготовления бетонных смесей на основе ТМЦ.

От температуры и влажности окружающей среды зависит оптимизация состава, строения, вида бетонных и железобетонных изделий с использованием ТМЦ и управление процессами их формования.

Цель и задача. Основной целью работы является разработка условий эффективного применения ТМЦ в технологии бетонных и железобетонных изделий с учетом влияния сухого жаркого климата.

В связи этим основными задачами являются:

- разработка теоретического положения об изменении структуры и свойств бетонных смесей на основе ТМЦ с учетом особенностей влияния жаркого климата;

- изучение оценки свойств бетонных смесей на основе ТМЦ при различной температуре с учетом их формуемости;

- установка зависимости реологических и технических свойств бетонных смесей на основе ТМЦ от главных факторов при разной температуре;

- изучение свойств бетонных смесей на основе ТМЦ в зависимости от их состава, температуры и условий начального формирования структуры;

Научная новизна. Разработаны теоретические положения о связи формуемости бетонных смесей на основе вяжущих, имеющих более высокую удельную поверхность и повышенное содержание суперпластификаторов с их составом и структурой, реологическими и техническими характеристиками в условиях влияния повышенной температуры и обоснованы характеристики формуемости бетонной смеси на основе ТМЦ и ВНВ при повышенной температуре.

Установлены зависимости подвижности и формуемости бетонных смесей на основе ТМЦ и ВНВ от В/Ц, расхода цемента, доли песка в бетонной смеси, заполнителей и температуры.

Установлены зависимости от водопотребности и температуры бетонных смесей, приготовленных на основе ТМЦ и ВНВ в удобоукладываемости песка и щебня, для корректировки состава бетонных смесей, заданных в технологическом процессе.

Установлена кинетика изменения технических свойств бетонных смесей различного состава с учетом температуры.

Установлена зависимость расслаиваемости литых бетонных смесей от их состава, вида вяжущего, влияния температуры по параметру раствороотделения.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Влияние сухого жаркого климата на технологию бетона

Районы с сухим жарким климатом характеризуются большими перепадами температуры, относительной влажностью воздуха в течение суток, сильным циклическим нагревом в течении дня, для открытых поверхностей строительный конструкций, до 60-80°C, результатом интенсивной солнечной радиации и охлаждением их ночью с суточными перепадами температур 40°C и более, а также наличием суховеев. Под сухой жаркой погодой понимается атмосфера, которая характеризуется, в определенный отрезок времени, температурой воздуха в 13 часов выше +25°C и относительной влажностью воздуха менее 50 %.

Сухая жаркая погода вносит серьезные осложнения в производстве бетонных работ. Поэтому при рассмотрении особенностей технологии бетона в условиях сухого жаркого климата необходимо выделить два аспекта:

- во-первых, особенности производства бетонных работ в сухую жаркую погоду,

- во-вторых, особенности выбора материалов и назначения составов для бетонных конструкций и сооружений, эксплуатируемых в районах с сухим жарким климатом.

При этом основными климатическими факторами, влияющими на технологию бетона в сухую жаркую погоду, являются высокая температура окружающей среды, её пониженная относительная влажность, а также интенсивная солнечная радиация, отрицательное воздействие которых значительно возрастает по мере увеличения скорости ветра.

Высокая температура окружающей среды, при сильной солнечной радиации, значительно повышает температуру компонентов бетона и бетонной смеси, ускоряет процессы начального структурообразования цементного теста и бетона., в результате чего увеличивается водопотребность бетонной смеси и снижается ее подвижность, возрастает потеря подвижности во времени, и значительно ухудшается удобоукладываемость бетонной смеси на месте укладки /67/. Это накладывает более строгие ограничения на время транспортирования и укладки бетонной смеси, требует учитывать возможное снижение подвижности смеси к моменту ее укладки при проектировании состава бетона.

Для предотвращения потери влаги из бетонной смеси и свежеуложенного бетона, необходимо организовывать соответствующий уход за бетоном. Продолжительность ухода будет определяться составом бетонной смеси, видом изделия и климатическими условиями.

С развитием процесса гидратации увеличивается количество новообразований и повышается степень связывания воды в бетоне и соответственно затрудняется испарение влаги из бетона. Поэтому особенно важно предохранять от потери влаги бетонную смесь до ее схватывания и до формования первоначальной структуры бетона, характеризуемой определенной критической прочностью.

Бетон представляет собой неоднородный многокомпонентный материал сложной структуры. Неоднородность бетона проявляется на всех уровнях от микро- до макроструктурного. На нее заметное влияние оказывают климатические условия.

Свойства бетона определяются целым комплексом разнообразных факторов, большинство из которых взаимозависимы и взаимосвязаны. Степень влияния и характер взаимодействия факторов также различны, что обусловлено полиминеральным характером цементного вяжущего, многообразием и сложностью химических и физико-механических процессов, протекающих в бетоне при его твердении в различных климатических условиях.

Свойства бетона формируются как интегральный показатель, зависящий от свойств составляющих материал состава и структуры бетона, условий твердения и эксплуатации.

Последствие сухой жаркой погоды является значительное обезвоживание свежеуложенного бетона при отсутствии надлежащего ухода за ним. Так американские нормы /116/ и рекомендации /121/ большое внимание уделяют определению интенсивности испарения воды из бетона в различных погодно- климатических условиях. Неухоженный бетон теряет впервые сутки 50-70% воды затворения, причём основная часть её удаляется впервые 6-7 часов твердения.

Повышение температуры неодинаково влияет на прочность бетона на портландцементах различного состава. Оптимальная температура начального периода твердения для цементов различного состава +5°…+13°С. С повышением температуры ускоряется гидратация цемента, несколько изменяется структура цементного камня и, в результате прочность бетона, твердевшего вначале при высоких температурах отлучается ниже, чем у твердевшего при более низких положительных температурах.

Однако другие исследователи, отмечая снижение прочности бетона в условиях сухого жаркого климата, указывает, что влияние минералогического состава портландцемента на степень снижения прочности бетона незначительно. При небольших колебаниях положительных температур получаются новообразования цементного камня одинаковой физико-химической природы.

Вследствие ускорения гидратации цемента, твердение приводит к увеличению ранней прочности (которая зависит также от состава и тонкости помола цемента, добавок и т.д.), но в ряде случаев снижает конечную прочность бетона.

Ограниченное число исследований не позволяет достаточно надежно судить о роли отдельных клинкерных минералов в формировании конечных свойств бетона в условиях сухого и жаркого климата. Исследованиями /44/ установлено, что твердение клинкерных минералов при различных температурах давало снижение прочности цементного камня, твердевшего при температуре 50°С, независимо от степени гидратации.

Деструктивные явления, происходящие в бетоне при твердении в условиях сухого жаркого климата, в частности вследствие значительного колебания температуры днем и ночью, в большей мере, чем прочность понижают долговечность бетона, его коррозионную стойкость, способность сопротивляться динамическим сейсмическим воздействиям. Баженов Ю.М. предложил оценивать влияние сухого и жаркого климата на свойства бетона коэффициентом термостойкости и его изменением в процессе твердения бетона. Существенно сказываются на свойствах твердеющих бетонных изделий температурно-влажностные неравномерные поля, возникающие вследствие значительного нагрева поверхностных слоев бетона. Под их воздействием возникает миграция влаги и некоторое обезвоживание поверхностных слоев, даже если они защищены пленкой или другим способом от испарения влаги. Обезвоживание бетона приводит к замедлению гидратации цемента, повышению усадки и даже появлению микротрещин, так как внутренние слои, более насыщенные влагой, имеют усадку и препятствуют равномерной усадки по толщине изделия. Неравномерность усадки и приводит к появлению микротрещин.

Ухудшается и микроструктура бетона, так как плотность бетона возрастает постепенно в результате протекания процесса гидратации цемента (при гидратации возрастает объем цементного камня). Обезвоживание на стадии первоначального твердения, когда структура цементного камня еще весьма пористая и слабая, приводит к ухудшению конечной структуры и свойств бетона, к понижению стойкости от воздействия различных агрессивных факторов в период эксплуатация.

Причем эти процессии протекают в поверхностных слоях изделия и конструкции, защитные свойства которых призваны защищать арматуру от коррозии и определяют в значительной мере долговечность железобетонных изделий. Их повышенная проницаемость способствует увеличению скорости карбонизации защитного слоя и уменьшает гарантированный срок службы конструкции в условиях воздействия агрессивных факторов. Поэтому целесообразно предохранять эти слои от испарения влаги, и от излишнего нагрева, применяя специальные способы ухода.

Для обеспечения надлежащей долговечности бетона необходимо соблюдать комплекс требований: правильный подбор состава, применение не расслаиваемых бетонных смесей заданной подвижности с учетом изменения последней к моменту укладки, хорошее уплотнение бетонной смеси при формовании, обеспечение необходимого ухода за бетоном и соответствующих условий твердения.

Степень отрицательного воздействия сухого жаркого климата зависит от объема и конфигурации или изделия. В большей степени это воздействие может проявиться в тонкостенных конструкциях. В изделиях большой массивности, например, гидротехнических сооружения, может возникнуть значительный разогрев внутреннего объема из-за экзотермии цемента, что вызовет неравномерные температурные поля и в некоторых случаях появление микротрещин в поверхностных слоях бетона.

Увеличение количества факторов влияющих на свойства бетона при производстве работ в условиях сухого и жаркого климата, затрудняет как прогнозирование конечных результатов, так и сравнение данных разных исследователей. В этой связи представляет определенный интерес использование обобщенных характеристик структуры.

Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. разработали методику прогнозирования свойств бетонной смеси с помощью структурных характеристик /10/. Эта методика применима и для условий сухого жаркого климата, но поправочные коэффициенты, учитывающие особенности этих условий, необходимо предварительно определять опытным путем.

Используя, для прогнозирования поведения бетона в условиях воздействия сухого жаркого климата, структурные характеристики, количество цементного камня в бетоне и его водоцементное отношение в конце периода формирования структуры, Курбанов Т.Ю. /51/ установил, что стойкость бетона находится в прямой зависимости от температурно-влажностных деформаций в разном возрасте /51/. Однако для построения надеждой теории прогнозирования необходимо наличие обширных экспериментальных данных по влиянию сухого жаркого климата на свойства бетона и бетонной смеси различных составов, полученных в сравнимых условиях. Этих данных в настоящее время недостаточно. Таким образом, при возведении бетонных и железобетонных сооружений или при изготовлении изделий в сухой жаркой климата требуется строго соблюдать ряд условий, гарантирующий качество конструкций и изделий. При приготовлении бетонной смеси следует предохранять ее от перегрева, если не преследуется цель применения подогретых смесей для ускорения твердения бетона. Необходимо защищать бетонную смесь от потери влаги: при транспортировании и в момент укладки. Применять не расслаиваемые и более жизнеспособные бетонные смеси, правильно назначая состав бетона и применяя модификаторы свойств бетонной смеси и бетона, например, различные пластификаторы и комплексные химические добавки; назначать требования к формовочным свойствам смеси с учетом снижения ее подвижности за период от приготовления и укладки; применять хорошо организованный уход за бетоном в период первоначального твердения; обеспечивать надлежащие условия для твердения бетона, используя те возможности, которые создает повышенная температура и солнечная радиация для ускорения твердения бетона.

Соблюдение комплекса мер может не только полностью компенсировать отрицательное влияние сухого и жаркого климата, но в ряде случаев добиться положительного эффекта-значительного ускорения и удешевления изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

1.2 Модификация структура и свойств бетонных смесей и бетонов в условиях сухого жаркого климата с помощью химических добавок

Жаркая сухая погода вносит серьёзные осложнения в технологию бетонных работ, вызывая увеличение водоподребности бетонной смеси при повышении её температуры; быструю потерю подвижности смеси в процессии её транспортировки или выдерживания до укладки; интенсивное обезвоживание свежеуложенного бетона; большую пластическую усадки бетона; значительно растрескивание твердеющего бетона; трудности в регулировании содержания вовлечённого воздуха в бетонных смесях, имеющих различную температуру; формирование неравномерного температурного поля в конструкциях под действием солнечной радиации; усложнение условий производства бетонных работ, повышение в ряде случаев их стоимости и другие негативные последствия.

Свежеуложенная бетонная смесь наиболее уязвима при воздействии неблагоприятных факторов сухого и жаркого климата и ухудшение её структуры при этом воздействии может значительно отразиться на конечных свойствах бетона, особенно его долговечности. Вот почему необходимо уделять особое внимание к бетонной смеси при разработке технологии бетона в условиях сухого жаркого климата.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоук-ладываемость или формуемость, т.е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя при этом монолитность и однородность.

Поведение бетонной смеси в различных условиях определяют её реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость и период релаксации. Для определения этих свойств меняют вискозиметры.

Особенность бетонной смеси состоит в постоянном изменении её свойств от начала приготовления до затвердевания, что обусловливается сложными физико-химическими процессами, протекающими в бетонной смеси и бетоне.

Основное влияние на эти свойства будет оказывать количество и качество цементного теста, так как именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления связности системы.

Миронов С.А. и Малинский Е.Н. отмечают, что при работах в условиях сухого жаркого климата повышение температуры бетонной смеси на 10?С увеличивает водосодержащие смеси в среднем на 5-7%. Существенной значение имеет продолжительность периода между приготовлением и укладкой бетонной смеси. Увеличение продолжительности ведет к повышению водопотребности смеси.

Исследованиям Крылова Б.А., Лукичёва Р.А. установлено, что предварительный электроразогрев бетонной смеси приводит к увеличению водосодержания смеси на 5-6% на каждые 10?С.

В результате получение подвижных и удобоукладываемых смесей в условиях сухого жаркого климата затрудняется и поэтому целесообразно введение в состав бетонной смеси поверхностно-активных веществ, способствующих понижению пластической вязкости цементного теста и повышению удобоукладываемости бетонной смеси при её постоянном водосодержании /60/.

С помощью пластифицирующих добавок можно избежать увеличение водопотребности бетонной смеси при повышеной температуры без перерасхода цемента, уменьшить или предотвратить появление трещин вследствие бетона, повысить трещиностойкость изделий при влажностной усадке и улучшить, таким образом, качество бетонных изделий и конструкций.

Перед выбором вида добавок и назначения их оптимального содержания в бетоне устанавливается их эффективность в зависимости от поставленной задачи по следующим признакам:

- по степени пластификации при неизменной В/Ц или по проценту снижения расхода воды и цемента в бетоне при сохранении заданной подвижности бетонной смеси в момент укладки и обеспечении при этом требуемой прочности бетона в различные сроки твердения;

- по увеличению продолжительности сохранения требуемой подвижности бетонной смеси;

- по сокращению продолжительности ухода за твердеющим бетоном.

По своей химической природе большинство пластификаторов является поверхностно-активными веществами (ПАВ), многие из них получают переработкой и модификацией вторичных продуктов и отходов химической промышленности /13/. Молекулы ПАВ имеют сложное строение и, как правило, включают гидрофильные группы и гидрофобные углеводородные радикалы. Характер воздействия ПАВ на бетонную смесь определяется строением их молекулы и соотношение гидрофильных гидрофобных частей молекулы ПАВ.

Батраков В.Г. /16/ использовал для оценки воздействия ПАВ на бетонную смесь понятие об гидрофильно-липофильном балансе (ГЛБ) которой определяется по виду дисперсии вещества в воде. При ГЛБ=1….4 вещество не диспергируется и имеет явно выраженные гидрофобные свойства, при ГЛБ= 9-12 вещество хорошо диспергируется и имеет хорошие гидрофильные свойства, при ГЛБ 13 получается прозрачный раствор. ПАВ адсорбируются на поверхности твердой фазы бетонной смеси и участвуют в образовании пространственных коагуляционных структур, изменяя тем самым реологические и технологические свойства бетонной смеси.

В условиях сухого и жаркого климата эффективно применение как пластифицирующих гидрофильных, так и гидрофобных добавок. Если первые особо эффективны при воздействии на бетонную смесь, то вторые способствуют улучшению первоначального структурообразования бетона, уменьшая водопотери и миграцию влаги.

Из пластификаторов большое распространение получила сульфатно-дрожжевая бражка и ее различные модификации. В Средней Азии применяют местные пластификаторы из отходов химической промышленности: ВРП, П-20 и другие. В последние годы особое место в модификации свойств бетонной смеси заняли суперпластификаторы и комплексные добавки на них основе. Суперпластификаторы в большинстве случаев представляют собой анионактивные органические вещества коллоидного размера (молекулярная масса > 200000) с большим количеством полярных групп в цели. Адсорбируясь на поверхности твердой фазы бетонной смеси суперпластификаторы создают утолщенную оболочку со значительным отрицательным потенциалом и тем самым повышает эффект диспергации и отталкивания частиц цемента и подвижимости бетонной смеси. Для обеспечения хорошего взаимодействия с поверхностью твердой фазы требуется интенсивное перемешивание или предварительное перемешивание цемента или бетонной смеси в присутствии добавок.

Как показывают исследования эффективности различных суперпластификаторов отечественного производства и полученных в ФРГ, США, Япония, Болгарии, при дозировке 1% добавки для получения равно подвижных бетонных смесей (при постоянном расходе цемента), расход воды снижается от 24% до 27%. Высокой эффективностью в условиях сухого и жаркого климата обладает добавка.

В СНГ наибольшее распространение получил суперпластификатор С-3 и комплексные добавки на его основе. Высокой эффективностью в условиях сухого жаркого климата обладает добавка 11-20 /59/, которая помимо повышения подвижности бетонной смеси способствует ускорению гидратации цемента в начальные сроки твердения.

Поскольку бетонные смеси с суперпластификаторами быстро теряют свою подвижность, особенно при повышенных температурах, целесообразно вводить одновременно в бетонную смесь замедлители гидратации цемента, например, СДБ. Можно также в условиях сухого жаркого климата использовать повышенные дозировки суперпластификаторов, что обеспечивает в ряде случаев двойной эффект: повышение подвижности бетонной смеси и увеличение ее жизнеспособности. Эти приемы были использованы Баженовым Ю.М. при бетонировании объектов атомной электростанции на Кубе.

Введение суперпластификаторов с оставшейся частью воды затворения после кратковременного перемешивания цемента или бетонной смеси с частью воды, когда в системе начинаются реакции гидратации и образование этрингита, повышает также пластифицирующий их эффект.

При формовании изделий следует учитывать, что цементное тесто, растворная и бетонная смеси с пластифицирующими и комплексными добавками при пониженном водосодержании, обладая одинаковой подвижностью со смесями без добавок, характеризуются лучшей удобоукладываемостью, что справедливо в широком диапазоне значений подвижности и водоцементных отношений.

Исследователями установлено, что резкое возрастание жесткости цементного теста, как с химическими добавками, так и не содержащего их, происходит при водоцементных отношениях меньших показателя его нормальной густоты. Поэтому наиболее качественно, с меньшими энергетическими затратами должны уплотняться растворные и бетонные смеси, у которых истинное значение В/Ц больше его нормальной густоты. При введении пластифицирующих и комплексных добавок удаётся сдвинуть границу качественного уплотнения в область более низкий значений В/Ц.

При применении бетонных смесей, высокой подвижности необходимо использовать формы, имеющие большую герметичность, чтобы избежать вытекания цементного молока.

При внесении тех или иных коррективов в технологии бетона необходимо одновременно учитывать и влияние сухого жаркого климата. Это требует, наряду с расширением наших знаний о роли пластифицирующих добавок и суперпластификаторов в этих условиях, применение новых методов испытаний, которые позволяют более всесторонне и точно оценить влияние добавок на свойства бетонной смеси и первоначальное структурообразование. Необходимость учета многих факторов требует применения математических методов планирования эксперимента и, обработки его результатов. Применение компьтсеров позволяет успешно использовать получаемые зависимости для управления производством и качеством бетона.

Вместе с тем, многофакторность, характерная для технологии бетона с химическими добавками в условиях сухого жаркого климата, требует поиска обобщенных критериев для оценки свойств бетонной смеси, бетона и используемых материалов. В этих условиях структурные характеристики: объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси и его истинное В/Ц, складывающаяся к концу периода формирования структуры, т.е. в момент перехода бетонной смеси в бетон, являются сравнительно надежными аргументами для прогнозирования свойств бетонной смеси и затвердевшего бетона.

Эти характеристики позволяют более точно определить сроки схватывания бетонной смеси, пластифицирующий эффект добавок, пределы составов, обеспечивающие нерасслаиваемость бетонной смеси и решить ряд других технологических задач.

В бетоне с малым расходом цемента при введении воздухововлекающих добавок способы приготовления, транспортирования и укладки бетонной смеси должны обеспечивать оптимальное содержание воздуха в свежеуложенном бетоне.

В бетоне выделяют три структурных элемента: цементный камень, заполнитель и контактный слой между ними.

Цементный камен, являющийся минеральным клеем, скрепляющим зёрна заполнителя, должен обладать достаточной собственной прочностью и хорошо сцепляться с зернами заполнителя.

Заполнитель, связывая часть воды затворения, влияет на реологические и технологические свойства бетонной смеси, а следовательно на технологию формирования и структуру бетона. Кроме того, в процессе твердения бетона вода, смачивающая зёрна заполнителей, участвует как в перераспределении пористости цементного камея в бетоне, так и в создании пористости контактной зоны между камнем и заполнителем.

Бетонные смеси с пластифицирующими добавками обладают пониженной водопотробностью и нерасслаиваемостью, что особенно важно при использовании заполнителей с повышенной водопотребностью. Рациональное использование в пластифицированных бетонных смесях заполнителей различных видов позволяет расширить их сырьевую базу, экономно расходовать цемент и повысить качество и долговечность железобетонных конструкций.

Независимо от вида применяемой химической добавки прочность бетона при постоянном начальном водосодержании возрастает с уменьшением В/Ц, а при постоянном водоцементном отношении - с уменьшением начального водосодержания. При выдерживании под полимерными плёнками в условиях активной физико-химические процессы в твердеющем бетоне, в том числе с пластифицирующими добавками, происходят в первые трое суток.

Химические добавки, способствуя модификации микроструктуры цементного камня и формированию начальной структуры раствора и бетона с различным содержанием воздуха и плотности, должны привести и к изменению их пористости. Наравне с этим, к изменению пористости также приводят и иные приемы технологического воздействия: различные температурно-влажностные условия и длительность твердения, а также начальное водосодержание смеси. Правильная организация технологии бетона с учетом условий сухого жаркого климата должна учитывать особенности формирования первоначальной структуры бетона и ее дальнейшее упрочнение в этих условиях.

Для этого необходимо знать зависимость тех или иных свойств от различных технологических и климатических факторов. Многие из этих зависимостей нуждаются в уточнении с учетом новых материалов и методов испытаний.

1.3 Особенности свойств бетонных смесей и бетонов на тонкомолотых вяжущих и перспективы их применения в условиях сухого жаркого климата

Исследование свойств и технологий многокомпонентных цементов проводились в 30-х, а затем в 50-х годах.

Были разработаны составы вяжущих, позволяющие получать бетоны с удовлетворительными физико-химическими характеристиками при замене 30% и более клинкерной части вяжущих. Однако, долгое время у нас в стране эти разработки не находили широкого промышленного применения, ввиду некоторых технических трудностей, связанных с необходимостью более тонкого помола многокомпонентных вяжущих.

В последние годы в результате разработки эффективных добавок, в том числе суперпластификаторов, а также с учетом возрастающего дефицита портландцемента, проблема исследования и применения многокомпонентных цементов приобрела особую актуальностью. Механохимическая активация вяжущего, включающая домел цемента с тонкомолотыми минеральными добавками и применение суперпластификаторов (СП) расширяет возможности для решения проблемы экономии цемента на новом уровне.

Многолетний опыт применения заполнителей в цементных композициях показывает, что эффективность их использования может быть значительно повышена на счет оптимизации рецептурных и технологических параметров.

В последнее время, в связи с появлением высокоэффективных суперпластификаторов и совершенствования технологии производства цемента начался новый этап в исследованиях, посвященных экономии цемента, так как введение суперпластификаторов позволяет значительно снизить материалов, энерго и трудоёмкость производства, экономить цемент, получать высокопрочные бетоны на рядовых марках цемента, за счет снижения водоцементного отношения, повышать качество и долговечность конструкций.

Для повышения эффективности бетонов с тонкомолотыми добавками и суперпластификаторами целесообразно производить предварительный помол цемента с добавками. Поверхностно-активные вещества способствует помолу смешанного вяжущего, резкому возрастанию его активности. При этом необходимо увелечивать дозировку суперпластификатора с повышением тонкости помола, чтобы получит надёжное распределение суперпластификатора по поверхности зерен вяжущего. В этом случае можно добиться получения вяжущего, обеспечивающего высокую подвижность и жизнеспособность бетонной смеси.

Способность тонкомолотых вяжущих удерживать повышенное количество суперпластификатора и высокая тонкость помола вяжущего улучшают пластические свойства цементного теста, а нормальная густота вяжущего снижается. Его эффективность подтверждается на примере совместного помола портландцементного клинкера и шкала в присутствие суперпластификатора.

Введение суперпластификатора уменьшает агрегацию цементных и тонкомолотых частиц и как бы увеличивает действительную эффективную поверхность вяжущего в воде. При этом возрастает текучесть смеси, улучшаются свойства бетона.

Известно, что подвижность бетонной смеси, достигнутая непосредственно после изготовления, быстро уменьшается с течением времени вследствие протекания физико-технических процессов взаимодействия воды и цемента. Потеря подвижности возрастает с увеличением тонкости помола цемента и при введении структурообразующих тонкомолотых добавок. Соответственно сокращаются сроки схватывания цемента.

Эти процессии особенно заметно проявляются при производстве работ в сухом жарком климате. Для уменьшения их отрицательного воздействия, целесообразно не столько увеличивать расход цемента и воды, как это имеет место в традиционной технологии, а использовать химические модификаторы, позволяющие повысить жизнеспособность смеси, и приближать пост приготовление бетонной смеси к месту укладки. Последний прием позволяет обеспечить качественную укладку бетонной смеси и быстрое твердение бетона.

При домело цемента с суперпластификатором резко уменьшается нормальная густота цемента и водопотребность бетонной смеси, и в 1,5-6 раза возрастает прочность бетона, приготовленного из смесей равной подвижности. Граница нерасслаиваемых смесей сдвигается в область низких водоцементных отношений и поэтому становится затруднительно получать бетоны низкой и средней прочности, которые имеют большое распространение, особенно для малоэтажного строительства, развиваемого в настоящее время.

Введение в вяжущее тонкомолотых наполнителей экономит цементный клинкер, пропорционально содержанию добавки, снижает прочность цемента и тем самым позволяет получать бетоны разной прочности.

Суперпластификаторы, адсорбируясь на поверхности тонкомолотых заполнителей, улучшают пластические свойства многокомпонентного вяжущего и в результате бетонные смеси, приготовленные с использованием этих вяжущих, высокой подвижностью и удобоукладиваемостью.

В нашей стране разработаны и начинают применяться в строительстве многокомпонентные вяжущие низкой водопотребности ВНВ и ТМЦ. Эти вяжущие различаются по способу введения суперпластификатора: в ВНВ сухой суперпластификатор вводится при помоле, а при применении ТМЦ жидкий суперпластификатор вводится непосредственно в бетонную смесь. Поскольку совместный помол цемента с сухим суперпластификатором обеспечивает лучшее взаимодействие суперпластификатора с твердой фазой, то соответственно эффективность ВНВ в бетонной смеси оказывается несколько более высокой.

Повышение тонкости помола клинкера цемента и введение суперпластификатора обусловливают возможность введения в цемент большего количества тонкомолотых добавок. В ВНВ и ТМЦ можно вводить до 70% тонкомолотого шкала, песка, золы и других минеральных материалов с малой водопотребностью.

При введении 50% тонкомолотых добавок и повышенных дозировок суперпластификатора получают ВНВ-50 той же марки, что и исходный портландцемент.

Однако при использовании ВНВ и ТМЦ необходимо уделить должное внимание долговечности бетона и железобетона, что особенно важно для изделий и конструкций, эксплуатирующихся в условиях сухого жаркого климата. Исследования НИИЖБа показали, что для железобетонных конструкций не следует применят ВНВ-70 и ТМЦ-70, так как в этом случае не обеспечивается должная защита арматуры от коррозии. В других случаях необходимо, чтобы расход клинкерной части многокомпонентного вяжущего в батоне был более 180 кг/м3.

Большое влияние на свойства и долговечность бетона оказывает его начальное структурообразование. Пластическая усадка бетона в условиях сухого жаркого климата значительно выше аналогичной деформации бетона, твердевшего в нормальных условиях. Это обусловлено резкой сменой температуры, увлажнением и высыханием свежеуложенного бетона.

По данным Малинского Е.Н. пластическая усадка свежеотформованного бетона развивается до определенного момента, независимо от величины водопотери. Одной из важнейших проблем бетонирования в условиях сухого жаркого климата является всемерное ограничение и ликвидация различных физических деструктивных процессов, протекающих в бетонах в начальный период твердения. Особое место среди них занимает пластическая усадка, оказывающая заметное влияние на растрескивание бетона при неблагоприятных условиях его твердения. Введение специальных добавок и применение ВНВ и ТМЦ позволяют существенно уменьшить пластическую усадку.

На свойства бетона большое влияние оказывает его структура и в первую очередь структура цементного камня, где под последним понимается затвердевшее тесто многокомпонент-ного вяжущего.

Фазовый состав цементного камня зависит от химико-минералогического состава портландцемента природы тонкомолотой добавки, водоцементного отношения, температуры твердения и вводимых добавок.

Удельная поверхность твердой фазы затвердевшего цемента оказывает огромное влияние на его свойства так как клеящая способность гидратных новообразований возрастает с увеличением их дисперсности. Дисперсность твердой фазы влияет также на устойчивость ряда соединений, входящих в состав цементного камня, в частности при эксплуатации конструкций в условиях сухого жаркого климата.

Изменение дисперсности структуры новообразований влияет и на пористость цементного камня. В бетонах на ВНВ и ТМЦ объем пористости и величина пор уменьшаются, особенно с возрастом бетона. Это также способствует их стойкости в условиях сухого жаркого климата. Особенности структурообразования бетона по ВНВ и ТМЦ влияют на кинетику роста его прочности в условиях повышенных температур. После определенного периода стабилизации, после приготовления бетонной смеси на основе ВНВ и ТМЦ происходит резкая потеря её подвижности, в дальнейшем сопровождающаяся интенсивным нарастанием (через 6…8 часов) прочности бетона. Через 16 часов нормального твердения бетоны на основе ВНВ имеют кубковую прочность 15…20 МПа, а в возрасте 1 суток - 20…60 МПа. ВНВ представляет собой композиционное вяжущее множества модификаций, свойства которого зависят от состава и количественного соотношения исходных составляющих и технологии их помола. Бетоны на различных модификациях ВНВ могут по разному пластифицироваться снижать водопотребность /14/. Совместный помол клинкера, различных видов минеральных добавок, разных типов высокоактивных водопонизителей, в первую очередь, суперпласти-фикаторов, или комплексных добавок на их основе позволяет получить ВНВ с широким диапазоном прочностных показателей.

Опытно-промышленное внедрение ВНВ на заводах сборного железобетона показало, что за счет их высокой активности удаётся снизить расход вяжущего в пределах до 30-35% при обеспечении заданной марки бетона в изделиях и конструкциях. Кроме того, показано возможность в ряде случаев полного отказа от термообработки бетона на ТВО при использовании ВНВ-50. Последнее особенно актуально для районов с сухим жарким климатом.

Таким образом, проведенные исследования и опытно-промышленная проверка показали, что применение механикохимии и современных представлений о механизме действия высокоэффективных химических добавок, в первую очередь, суперпластификаторов и тонкомолотых добавок решает проблему создания модифицированных вяжущих веществ (ВНВ и ТМЦ), обеспечивающих получение «высококонцентри-рованных и компактных структур с низкой вязкостью при относительно низком водосодержании и позволяет перейти в ту область технологии получения цементных композиций высокой плотности, прочности, однородности, которая до последнего времени считалась практически недостижимой ».

Современная эффективная технология сборного и монолитного бетона и железобетона предполагает применения многокомпонентных вяжущих (ВНВ, ТМЦ и других), включающих суперпластификаторы или комплексные добавки на их основе и тонкомолотые добавки, на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связности системы.

Миронов С,А., Малинский Е,Н. и другие отмечают, что в условиях сухого и жаркого климата полезно применять высокопрочные и быстротвердеющие цементы и бетоны, позволяющие существенно сократить время ухода за бетоном и продолжительность твердения до достижения бетоном критической прочности, после чего отрицательное влияние на структуру и свойства бетона повышенной температуры воздуха при низкой влажности среди и солнечной радиации заметно уменьшается. В связи с изложенным можно ожидать, что применение в условиях сухого и жаркого климата ВНВ и ТМЦ, в которых возможности пластификации смеси и интенсификации твердения бетона приближаются к максимально возможному эффекту, окажется весьма перспективным.

Однако в технологии приготовления бетонных смесей на основе ВНВ и ТМЦ влияние повышенной температуры на технологические и реологические свойства бетонной смеси и бетона практически не изучено. Не изучено также влияние на изменения свойств бетонной смеси при повышенной температуре вида и количества, заполнителей, водоцементного отношения, состава бетона.

Отсутствуют методики проведения исследований по влиянию повышенной температуры и составов бетонной смеси на основе ВНВ и ТМЦ на технологические и реологические свойства смеси и бетона. Также отсутствуют рекомендации по рациональным областям применения бетонных смесей и бетонов на основе ВНВ и ТМЦ для бетонных и железобетонных изделий в жарком сухом климате и определение технического регламента их производства.

Для обоснованного применения бетонов на многокомпонентных вяжущих тонкомолотого цемента необходимо установить эффективность влияния этих вяжущих на свойства бетонной смеси, ее нерасслаиваемость и жизнеспособность применительно к условиям бетонирования при повышенных температурах, так как в этих условиях свойства бетонной смеси и первоначальное структурообразование бетона оказывают большое, если не определяющее, влияние на конечные свойства бетона.

Цель и задачи. Основной целью работы является разработка условий эффективного применения ТМЦ в технологии бетонных и железобетонных изделий с учетом влияния сухого жаркого климата.

В связи с этим основными задачами являются:

- разработка теоретических положений об изменении структуры и свойств бетонных смесей на основе ТМЦ с учетом особенностей влияния жаркого климата;

- изучение оценки свойств бетонных смесей на основе ТМЦ при различной температуре с учетом их формуемости;

- установление зависимости реологических и технических свойств бетонных смесей на основе ТМЦ от главных факторов при разной температуре;

- изучение свойства бетонов на основе ТМЦ в зависимости от их состава, температуры смеси и условий начального формирования структуры;

2. Материалы и методы исследования

2.1 Характеристика применяемых материалов

При выполнении исследования для сопоставления результатов при определении свойств бетонных смесей и бетонов в работе использованы цементы промышленного выпуска Навоинского и Кизилкумского цементного заводов М-400. В качестве многокомпонентного вяжущего использовали ТМЦ-50 опытно - промышленного выпуска Навоинского цементного завода со шлаковым наполнителем и суперпластификатором С-3. Суперпластификтор в ТМЦ вводился при помоле в количестве 3% от массы цементной составляющей.

Также применялся ТМЦ на основе Навоинского цементного завода с вяжущим двух составов:

Р2-1: клинкер; шлак; барханный песок; гипс - 55:20:20:5,

Р3: клинкер; зола; песок; гипс - 55:25:15:5.

Химический и минералогический составы цементов приведены в таблицах 2.1.1., 2.1.2., соответственно физико-механические характеристики данных цементов в таблице 2.1.3. В качестве пластифицирующей добавки использовали С-3. Добавка вводилась в бетонную смесь с водой затворения (1% от массы цементной составляющей при применении ТМЦ).

В качестве мелкого заполнителя для приготовления бетона применяли кварцевый песок Зарафшанского карьера с модулем крупности 2,04.

Физико-механические характеристики мелкого заполнителя кварцевого песка для бетонов, были определены по ГОСТ 8736-96. Основные показатели и гранулометрический состав используемого песка приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.1. Химический состав цементов (вяжущих), в %

Вид вяжущего цемента	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO	п.п.п
Навоинский П/Ц - 400	19,5	5,45	4,78	63,72	3,84	1,08	0,26
Кизилкумский П/Ц - 400	22,17	4,81	4,77	67,0	0,44	0,03	-

Таблица 2.2. Минералогический состав цементов, в %

Вид вяжущего цемента	Минералогический состав	Вид минеральной добавки	Среднее количество добавки, %
	S3A	C2S	C3A	C4AF	CaO своб, %
Навоинский П/Ц - 400	59	12	7	14	-	Трепел	9,5
Кизилкумский П/Ц - 400	64	15	3	15	0,26	шлак	20

Таблица 2.3. Свойства ПЦ, ВНВ, ТМЦВ

Основные показатели по ГОСТ 310.1-81, ГОСТ 310.2-82, ГОСТ 310.2-81.	Добавка С-3 в %от цем. или вяжущего	ПЦ-400	ВНВ-50	ТМЦВ
				Р2-1	Р-3
Нормальная густота в %	- 1	27,0 16,8	17,5	27,5 18,5	28,0 20,0
Расплыв конуса, см (тесто)	- 1	15 15	15	15 15	15,5 15
Прочность мПа, приизгибе сжатии	1 - 1	6,8 44 47	7 55	6,9 40,7 50,5	6,3 38 47,1
Насыпная плотность кг/м3 -	1150	1115	1120	1100
Удельная поверхность см/г -	2800	5500	5200	5200
Водоцементное или водовяжущее отношение	- 1	0,45 0,38	0,45	0,44 0,35	0,45 0,36
Расплыв конуса, см (раствор)	-	13	13	12,8	13
Плотность, г/м3	-	3,08	2,90	2,95	2,83

Таблица 2.4. Основные показатели и гранулометрический состав песка

Наименование	Гранулометрический состав, % по размерам сит	Насыпная плотность, кг/м3	Истинная плотность, г/см3	Пустотность, %	Водопотребность, %	Модуль крупности
	5	2,5	1,25	0,63	0,314	0,14	0,14
Песок Зарафшанского карьера	частные остатки
	-	2	14	22	26	19	17	1595	2,65	45,6	7,2	2,04
	полные остатки
	-	2	16	32	64	83	100

Таблица 2.5. Основные показатели и фракционный состав щебня

Наименование	Содержание заполнителя, % фракций, мм	Насыпная плотность, кг/м3	Истинная плотность, кг/м3	Пустотность, %	Водопотребность, %
	5	5-10	10-2	20
Щебень гранитный	4,2	42,5	43	10	1,45	2,69	45,7	3,63

В качестве крупного заполнителя для приготовления бетона применяли гранитный щебень фракций 5…20мм. Физико-механические характеристически крупного заполнителя - щебня, определены по ГОСТ 8296-2000, показатели фракционного состава используемого щебня приведены в таблице 2.5.

2.2 Методы определения свойств бетонной смеси и бетона.

Основные сведения о принятых методах испытания бетонной смеси и бетона.

Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую условиям её укладки в формы. Для оценки консистенции бетонной смеси и её технологических свойств, определяющих способность заполнять данную форму и уплотняться в процессе укладки, в данной работе определяли показатели подвижности и жесткости смеси, расслаиваемость, коэффициент тиксотропии и другие свойства.

Бетонные смеси на основе ТМЦ различных модификаций могут по разному пластифицироваться и снижать свою водопотребность, меняя кинетику твердения, структуру и состав цементирующий новообразований, что влияет на свойства бетона, особенно учитывая технологию производства бетонных работ и влияние специфических условий районов сухого жаркого климата.

Экспериментальная часть работы выполнена с применением ряда стандартных методов. Для определения технологических свойств бетонных смесей, при различных температурах, проводился эксперимент следующим образом.

Смесь объемом 7 дм3 получали виброперемешиванием до стандартной консистенции, закладывали в специальный прибор объемом 6 дм3, а затем с помощью электроразогрева нагревали бетонную смесь до фиксированной температуры.

Закладывали смесь в стандартные конуса или в технический вискозиметр, с тремя равными слоями, при уплотнении каждого слоя 25-кратным стыкованием металлическими стержнями d = 16 мм и длиной 60 мм с округленными концами. Для приготовления бетонной смеси использовали сухие материалы, дозированные по массе, воду - по объему. Пластифицирующие добавки в смесь вводились с водой затворения. Перемещение смеси осуществляли ручным и механическим способом (виброперемешивание). Уплотнение образцов бетонной смеси производили на лабораторной виброплощадке с частотой колебаний 50 0,05 мм. Образцы после формования хранились до момента испытаний в нормальных температурно-влажностных условиях или в условиях с различными фиксированными температурами. Определение прочностных характеристик образцов проводили по стандартным методикам. Так как при введении СП в смеси на основе ТМЦВ разных составов наблюдается тиксотропное разжижение, к бетонным смесям на ВНВ и ТМЦ разного состава применяется очень энергичное перемешивание и механическое (вибрационное) воздействие, с целью более быстрого проявления тиксотропного эффекта разжижения, проявление этого эффекта ускоряется во время виброперемешивания. Вместе с тем, отмечены значительные изменения показаний подвижности при незначительном изменении В/Ц, что затрудняется сравнительные оценки. Целесообразно для данных исследований с целью получения сравнительных результатов проводить более глубокою гомогенизацию бетонных смесей. Это можно осуществить виброперемешиванием, которое позволит также проводить измерения технологических характеристик бетонной смеси в процессе вибрирования.

Бетонные смеси на основе ВНВ и ТМЦ обладают некоторыми особенностями механических и реологических свойств. Более глубокое изучение свойств бетонных смесей на основе ВНВ и ТМЦ осуществлялось с помощью новых приборов, позволяющих определить:

- истечения и уплотнение бетонных смесей при различных температурах;

- коэффициент тиксотропии бетонных смесей;

- расслаиваемость бетонных смесей при различных температурах;

- отношение сопротивление сдвигу уплотнённых структур при статических нагрузках и сопротивлению на сдвиг предельно напряженной структуры при различных температурах под воздействием вибрации.

Применение новых методов, по сравнению с традиционными для определения подвижности по осадке конуса (ОК) и жесткости по техническому вибровискозиметру позволяет более точно оценить особенности свойств структуры бетонных смесей на основе ВНВ и ТМЦ и получить рабочие зависимости от влияния составов бетонных смесей и их температур на укладываемость (формуемость) бетонных смесей и установить граничные условия, гарантирующие получение нерасслаиваемых и качественных бетонных смесей;

- жизнеспособность или водопотери бетонных смесей.

Исследования проводили при фиксированных температурах Т=25єС; Т=35єС; Т=45єС, на бетонных смесях различного состава.

Для более всесторонней оценки поведения бетона и бетонной смеси в условиях сухого жаркого климата необходимо наряду со стандартными методами испытаний использовать методики и приборы, позволяющие получить количественные показатели особенностей поведения материала в этих условиях. Это в первую очередь касается бетонной смеси, так как на ее свойствах условия сухого жаркого климата сказываются в большей мере.

Методика определения удобоукладываемости бетонной смеси по показателю истечения на специальном приборе.

Удобоукладываемость по истечению бетонных смесей определяли на специальном приборе, удобоукладываемость характеризовалась временем истечения смеси через калиброванное отверстие прибора, определяемым в секундах. Прибор позволяет производить быстрый разогрев бетонной смеси до температуры испытания с помощью электрического тока.