Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

УПРАВЛЕНИЕ КИНЕТИКОЙ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Минаков Ю.А. 1 Кононова О.В. 1 Анисимов С.Н. 1 Грязина М.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
Проведение бетонных работ при отрицательных температурах требует применения специальных методов зимнего бетонирования. Наиболее часто применяют методы обогрева, утепления и введения в бетон противоморозных добавок. Проведены исследования по изучению кинетики нарастания прочности бетона при использовании универсальной противоморозной добавки (УПД-2М) при различном содержании цемента и добавки. Исследования показали, что в реальных условиях колебания отрицательных температур (–20 ± 11 °С) необходимо обеспечить благоприятные условия твердения (+20 °С) в первые сутки твердения. При таких условиях бетон набирает 30 % проектной прочности. Исследована кинетика нарастания прочности самоуплотняющегося бетона в условиях обогрева в термоактивной опалубке (30–40 °С). Установлено, что бетон набирает 50 % от проектной прочности на вторые сутки твердения. На основании проведенных исследований рекомендовано оптимизировать продолжительность обогрева с учетом содержания цемента в бетоне и температуры обогрева.
отрицательная температура
обогрев
противоморозная добавка
твердение бетона
самоуплотняющийся бетон
проектная прочность
температура обогрева
1. Бетонные и железобетонные работы / К.И. Башлай, В.Я. Гендин, Н.И. Евдокимов и др.; под ред. В.Д. Топчия. – 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1987. – 320 с.
2. Кинетика набора прочности цементного камня с модифицирующими добавками / Л.М. Добшиц, О.В. Кононова, С.Н. Анисимов // Цемент и его применение. – 2011. – № 4. – С. 104–107.
3. Изотов В.С. Химические добавки для модификации бетона. – М.: Изд. Палеотип, 2006. – 244 с.
4. Крылова Б.А. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / Б.А. Крылова, С.А. Амбарцумян, А.И. Звездова. – М., 2005. – 275 с.
5. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. – 3-е изд. – М.: Стройиздат, 1975. – 750 с.

Проведение бетонных работ в зимних условиях требует применения специальных методов зимнего бетонирования, из которых наиболее распространены методы обогрева, утепления и введения в бетон противоморозных добавок [1].

При выборе вида противоморозной добавки ориентируются на минимальную температуру, при которой эффективно ее использование. Способ зимнего бетонирования с применением противоморозных добавок прост и экономичен, но в условиях значительных колебаний отрицательных температур представляется сложным установить рациональную дозировку противоморозной добавки. На практике чаще всего вследствие существования температурных ограничений к использованию добавок от применения противоморозных добавок приходится отказываться в пользу методов обогрева бетона [3,5].

Преимуществом методов обогрева является возможность поддержания положительной температуры в теле твердеющего бетона в пределах, позволяющих прогнозировать нарастание прочности бетонной конструкции. Поэтому, несмотря на удорожание бетонных работ, методы обогрева более распространены [4]. Среди методов обогрева наиболее технологичны методы электрообогрева. Электрообогрев бетона сегодня остается единственным методом, который применим при значениях отрицательных температур до – 45 °С [3]. Критерием достаточности обогрева считается достижение бетоном прочности на уровне 30–40 % проектной, после которого процесс твердения при медленном остывании будет продолжаться независимо от внешнего теплового воздействия [5]. В связи с этим актуальной с технико-экономической точки зрения представляется задача определения минимального периода обогрева бетона и рациональной температуры прогрева бетона до получения нормируемого процента проектной прочности [2].

Цель работы состояла в сравнительной оценке эффективности применения комплексного метода обогрева бетона, предусматривающего применение химических модификаторов, влияющих на скорость твердения бетона и его конечную прочность. Критерием эффективности выбрана кинетика нарастания прочности бетона с модифицирующими добавками, обогреваемого в первые сутки твердения, и продолжительность периода времени, необходимого для достижения бетона нормируемого процента проектной прочности 30–35 %.

Задача исследования состояла в изучении участия в кинетике нарастания прочности бетонов, обогреваемых в начальный период противоморозной и суперпластифицирующей добавок.

Материалы и методы исследования

В качестве химических модификаторов применялись две добавки: противоморозная добавка УПД-2М производства ООО «Инновация» (г. Казань) и суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира Glenium®51 производства фирмы BASF.

Универсальная противоморозная добавка УПД-2М относится к категории комплексных. Она ускоряет процесс твердения бетонов и строительных растворов, улучшает удобоукладываемость бетонных смесей, повышает прочность, морозостойкость и трещиностойкость бетона. Рекомендуется к использованию при температуре не ниже –18 °С. Суперпластификатор Glenium®51 используется в технологии самоуплотняющихся бетонов. Достоинством модификатора является высокая пластифицирующая способность, а также повышение конечной прочности бетона. Повышение содержания добавки увеличивает индукционный период твердения цемента, препятствуя нарастанию прочности в ранние сроки. Установлено, что умеренный обогрев цементных паст с добавкой Glenium®51 интенсифицирует их твердение на ранних стадиях [2].

При исследовании бетонов с добавкой УПД-2М в качестве вяжущего в бетонах применялся портландцемент ЗАО «Ульяновскцемент» класса ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б. В качестве мелкого заполнителя использовался природный песок с модулем крупности 2,62 и гравий из изверженных пород фракции 5–20 мм. Содержание цемента варьировалось в пределах от 300 до 500 кг/м3. Добавка УПД-2М вводилась в количестве до 2,7 % от массы цемента. Из пластичных бетонных смесей подвижностью 12 см по осадке конуса формовались образцы размером 100×100×100 мм. Прочность бетонов контролировалась разрушающим методом.

Для исследования влияния обогрева на твердение бетона с суперпластификатором Glenium®51 нами были исследованы составы самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей, предназначенные для заполнения швов сборно-монолитного железобетонного каркаса многоэтажного здания. Для приготовления составов применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент» с удельной поверхностью 360 м2/кг природный мелкозернистый кварцевый песок с модулем крупности 1,2; кварцевый наполнитель, приготовленный помолом природного кварцевого песка до удельной поверхности 100 м2/кг. Суперпластификатор Glenium®51 вводился в количестве 1,5 % от массы цемента. Из самоуплотняющихся смесей методом литья формовались образцы – кубы с ребром 20 мм. Для интенсификации процесса твердения образцы в течение первых 3-х суток обогревались при 30–40 °С, после чего твердение образцов происходило при температуре + 20 ± 2 °С и относительной влажности воздуха 95 ± 5 %.

Результаты исследования и их обсуждение

При изучении влияния добавки УПД-2М основные образцы бетона первые сутки выдерживались при температуре + (20 ± 2) °С, что соответствовало их умеренному обогреву в условиях отрицательных температур. Дальнейшее их твердение происходило в реальных зимних условиях. Результаты мониторинга реального колебания отрицательных температур приведены на рис. 1.

pic_24.wmf

Рис. 1. Результаты мониторинга реальной температуры твердения бетона с добавкой УПД-2М

Фактические усредненные колебания температуры в период испытания, как показали статистические наблюдения, в первом приближении можно описать диапазоном температур (–20 ± 11) °С.

Наряду с основными образцами формовались контрольные образцы бетона, которые твердели в нормальных условиях лаборатории при температуре + 20 ± 2 °С и относительной влажности воздуха 95 ± 5 %.

Перед испытанием на сжатие основные образцы оттаивали на воздухе в течение 4 ч при температуре окружающей среды (+ 20 ± 2) °С. Результаты испытания составов бетона с добавкой УПД-2М в возрасте 28 суток приведены в табл. 1.

Таблица 1

Прочность при сжатии бетонов с добавкой УПД-2М

№ п/п

Составы бетонных смесей, кг/м3

Предел прочности при сжатии образцов:

Цемент, кг

Гравий, кг

Песок, кг

Вода, л

УПД-2М, %, от массы цемента

контрольных, МПа

основных

МПа

%

1

500

900

900

190

2,7

46,8

15,4

32,9

2

500

900

900

230

-

36,8

6,9

18,7

3

300

1000

1000

160

2,7

26,0

5,2

20,0

4

300

1000

1000

185

-

16,0

2,6

16,2

5

500

900

900

190

1,35

42,0

10,7

25,5

6

300

1000

1000

165

1,35

20,5

4,3

21,0

7

400

950

950

165

2,7

32,8

8,5

25,9

8

400

950

950

210

-

26,8

4,0

15,0

9

400

950

950

170

1,35

29,6

6,3

21,3

Анализ полученных результатов показал, что присутствие противоморозной добавки УПД-2М оказывает на бетонную смесь пластифицирующий эффект и позволяет ускорить процесс твердения бетонов. Установлено, что водопотребность равноподвижных бетонных смесей понизилась на 13–17 %. Отмечено нарастание прочности бетона с увеличением содержания добавки при постоянном расходе цемента как у основных, так и у контрольных образцов. На основании проведенных исследований построена регрессионная полиномиальная математическая модель зависимости прочности бетона У1, МПа от содержания в бетоне цемента (Х1) и содержания противоморозной добавки УПД-М2 (Х2). При доверительной вероятности 95 % она имеет вид:

У1 = 6,40 + 3,49 Х1 + 2,60 Х2 + 1,13 Х12 + 1,48Х1Х2.

Наибольший прирост прочности был получен при содержании добавки УПД-2М 2,7 % от массы цемента при расходе цемента 500 кг/м3. У контрольных образцов прирост прочности за счет введения добавки составил 27 %. У основных образцов прочность возросла более чем в 2 раза, что свидетельствует об интенсификации твердения бетона в присутствии добавки в ранние сроки. Установлено также, что фактические колебания отрицательных температур полностью блокировали рост прочности бетона с добавкой УПД-2М. Прочность, которую показал бетон через 28 суток при твердении в реальных условиях колебания отрицательных температур, не возросла в сравнении с той, которую он приобрел за первые сутки твердения при температуре (+ 20 ± 2) °С. Выявлено также, что если бетон после формовки сразу поместить в среду с имевшей место во время эксперимента отрицательной температурой, он не способен к набору прочности в этих условиях.

Прочность бетона с добавкой УПД-2М через 1 сутки не ниже 30 % 28-суточной прочности была получена только для состава с содержанием цемента 500 кг/м3 при максимальном содержании добавки УПД-2М 2,7 % от массы цемента. Если сравнивать прочность бетона с добавкой и бетона без добавки, то можно сделать вывод, что бетон за счет добавки и суточного обогрева в условиях колебания отрицательных температур к 28-суточному возрасту приобретает 40 % проектной прочности.

Исследования кинетики твердения самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей предполагали выявление роли изотермической температуры обогрева в первые трое суток на формирование прочности составов. В табл. 2 приведены составы бетонных самоуплотняющихся смесей. Кинетика роста их прочности Rсж, МПа, в зависимости от времени t и температуры T твердения представлена на рис. 2.

Таблица 2

Составы бетонных смесей наливного типа с суперпластификатором Glenium® 51

Номер состава

Содержание компонентов смеси, масс. %

Glenium-51, % от массы цемента

Водотвердое отношение

Расплыв по конусу Хегерманна, мм

T, °С

Цемент

Наполнитель

Песок

1

50

15,6

34,4

0,253

220

20

2

50

15,6

34,4

1,5

0,165

300

20

3

50

15,6

34,4

0,253

220

40

4

50

15,6

34,4

1,5

0,165

300

40

5

50

15,6

34,4

0,253

220

30

6

50

15,6

34,4

1,5

0,165

300

30

pic_25.wmf

Рис. 2. Кинетика роста прочности самоуплотняющихся смесей с суперпластификатором Glenium® 51 при обогреве

Анализ результатов исследований, приведенных в табл. 2 и на рис. 2, показал, что введение суперпластификатора Glenium®51 в количестве 1,5 % от массы цемента сдерживает рост прочности самоуплотняющегося бетона в первые сутки твердения при + 20 ± 2 °С в 5 раз. Но в возрасте 28 суток самоуплотняющийся бетон приобретает на 47 % более высокую прочность. Увеличение изотермической температуры обогрева в первые трое суток с + 20 ± 2 до + 30-40 ± 2 °С способствует интенсификации твердения бетона на ранней стадии до 13–27 %, что необходимо для обеспечения высоких темпов строительных работ. Обогрев при температуре 40 ± 2 °С в течение 2 суток самоуплотняющейся бетонной смеси позволяет получить прочность не ниже 50 % в сравнении 28-суточной.

Выводы

1. Поскольку невозможно избежать экстремального понижения температуры в зимних условиях в ранние сроки твердения, когда для бетона особенно опасно воздействие отрицательных температур, эффективно сочетание применения модифицирующих противоморозных добавок с умеренным обогревом.

2. В бетонах с добавкой УПД-2М применение изотермического обогрева при + 20 °С в первые сутки твердения обеспечивает 30 %-ный прирост прочности от проектной.

3. Увеличение температуры обогрева до 30–40 °С в течение первых 2 суток позволило получить прочность самоуплотняющегося бетона не ниже 50 % от 28-суточной.

Рецензенты:

Салихов М.Г., д.т.н., профессор, зав. кафедрой АД, Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола;

Краснов А.М., д.т.н., доцент, профессор кафедры СМиТС, Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола.

Работа поступила в редакцию 29.01.2013.


Библиографическая ссылка

Минаков Ю.А., Кононова О.В., Анисимов С.Н., Грязина М.В. УПРАВЛЕНИЕ КИНЕТИКОЙ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4-2. – С. 307-311;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31188 (дата обращения: 25.11.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252