Знание кинетики твердения цементных систем необходимо, прежде всего, для ее регулирования и для разработки и производства изделий и конструкций с заданными физико-механическими свойствами. Кроме того, создание адекватных математических моделей кинетики твердения позволяют достаточно надежно прогнозировать марочную прочность цементов, используя результаты краткосрочных испытаний (через 1–7 суток твердения). В связи с этим данному вопросу уделяется большое внимание со стороны и отечественных, и зарубежных специалистов.
Одним из перспективных способов прогнозирования марочной прочности цементных систем, на сегодняшний день является методика, позволяющая выявлять наиболее точные данные в ранние сроки твердения бетона, приведенная. Для этого могут быть использованы либо уравнения, основанное на теории переноса, либо логарифмическое уравнение.
(1)
Где:
Rn и R28 — предел прочности бетона через n и 28 суток, МПа;
lgn и lg28 –десятичные логарифмы возраста бетона.
Расчет состава бетона проверяется на пробном замесе. Объем пробного замеса зависит от количества изготовляемых образцов. При изготовлении трех образцов 15 × 15 × 15 см объем составит 12 л, или 10 × 10 × 10 см объем составит 3 л. При изготовлении пробного замеса корректируется состав, исходя из заданной подвижности или жесткости бетонной смеси. Если подвижность бетонной смеси пробного замеса получится меньше заданной, то добавляют воду и цемент равными долями, не изменяя водоцементного отношения. Если подвижность бетонной смеси в пробном замесе получается больше заданной, то в тот же замес добавляют песок и щебень, не меняя отношения П/Щ. Однако не рекомендуется добавлять исходные материалы более, чем по 10 % от первоначальных величин. Если при добавке 10 % не получается требуемая подвижность, делается перерасчет состава бетона с изменением количества цемента и воды. Из откорректированной бетонной смеси готовят контрольные образцы и затем их испытывают. Для определения прочности бетона образцы после их изготовления хранят одни сутки в формах, покрытых влажной тканью в помещении с температурой +20 °С, после чего их вынимают из форм, маркируют и выдерживают до момента испытания в камере нормального твердения при 20 °С и относительной влажности воздуха 95...100 %. Марка бетона по ГОСТу определяется через 28 суток на образцах-кубах. За эталон принимают куб размером 15 × 15 × 15 см. При использовании образцов других размеров производится перерасчет прочности бетона, так как на прочность бетона оказывает влияние масштабный эффект, зависящий от размера испытываемых образцов. Если испытывают бетон раньше, чем через 28 суток, то для определения марки бетона пользуются логарифмической зависимостью (1).
Отсюда,
(2)
где:
Rn — предел прочности бетона при сжатии в любом возрасте;
R28 — предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 суток;
lg n — десятичный логарифм срока испытаний в сутках.
Эта формула дает удовлетворительные результаты при n ≥ 3. Если фактическая прочность бетона при сжатии отличается от заданной более чем на 15 %, то следует внести коррективы в состав бетона, для повышения прочности увеличить расход цемента, для понижения прочности — уменьшить. Из вновь рассчитанной смеси изготовляют образцы и испытывают их.
В работах, посвященных данной теме обработан большой массив информации, в том числе рассмотрены вопросы влияния различных факторов, таких как, водопотребность, температура среды, минералогический состав, удельная поверхность вяжущего, наличие химических добавок, вследствие чего установлено следующее.
Уравнение, основанное на теории переноса с интенсивным торможением во времени предпочтительно для описания кинетики твердения рядовых и быстротвердеющих цементов типа ПЦ…ДО и ПЦ…Д20 (ГОСТ-10178–85), или ЦЕМ I и ЦЕМ II и ЦЕМ IIB (ГОСТ 31108–2003), а также ТЦМ.
Полулогарифмическое уравнение лучше описывает особенности роста прочности во времени белитовых малоалюминатных температурахшлаковых вяжущих при пониженных температурах (5–10º С), мелкозернистых и тяжелых бетонов с низким расходом цемента, а также цементных систем с повышенным содержанием инертных наполнителей особенно если температура среды не превышает +10…+15º С.
В последние годы большой интерес специалистов вызывает новый вид вяжущего-вяжущие низкой водопотребности. Его получают совместным помолом клингеркера с добавками и суперпластификаторами. В качестве СП обычно используют С-3. Цементные системы на основе ВНВ отличаются низким В/Ц доходящим до 0,18–0,19. Применение вяжущих низкой водопотребности позволяют потенциально увеличить реальную активность цемента в 2–2,8 раза, и соответственно прочность бетона в 2–2,5 раза. Бетоны на основе ВНВ из высокоподвижных бетонных смесей характеризуются высокой морозостойкостью и трещиностойкостью, однородностью, нерасслаиваемостью, водоудерживающей способностью при транспортировании, укладке и уплотнении. Водопоглощение таких бетонов в 2,5 раза ниже, чем у бетонов без добавки и с пластификатором С-3. Темпы набора прочности бетона отличаются высокой интенсивностью. Использование ВНВ в зимних условиях позволяет вести бетонные работы при температуре -10ºС без модификаторов противоморозного действия.
При этом ВНВ отличаются своеобразной кинетикой твердения. Она характеризуется интенсивным набором прочности уже через несколько часов. В возрасте 16 часов нормального твердения бетоны на основе ВНВ имеют прочность, равную 25 МПА. Для них характерна пониженная по сравнению с портландцементом степень гидратации алита как в раннем возрасте, так и в длительном твердении. Это обусловлено малой обводненностью гидратных новообразований. Характерная особенность цементных систем на основе таких вяжущих-существенное замедление процессов структурообразования в первые 4–8 часов после затвердения с последующим интенсивным процессом кристаллизации и твердения.
В связи с этим представляет интерес, какое из вышеупомянутых уравнений, лучше описывает кинетику твердения вяжущих этого класса.
В таблице 1 приведены экспериментальные данные по ВНВ-50, ВНВ-100 при различных расходах вяжущего и В/Ц отношение [3, табл.2] в таблицу 2 приведены результаты расчетов по полулогарифмическому уравнению и по уравнению теории переноса.
Как видно на рис. 1 у состава № 2 слабый прирос прочности в интервале срока твердения 3 и 7 суток. В связи с этим результаты прогноза марочной прочности этого состава характеризуются максимальным отклонением от экспериментальных данных- свыше 15 % по обеим формулам. В составах № 5, 6 в интервале 3,7 обусловлено тем, что 1- суточная прочность в обоих случаях сильно занижена и не соответствует 3 и 7 суточным величинам.
В связи с этим результаты расчета марочной прочности для этих № 5, 6 показали неудовлетворительное соответствие экспериментальным данным по полулогарифмическому уравнению. Что же касается остальных кинетических кривых, то их прогноз вполне хорош. Отклонения находятся в пределах от 1 до 8 %.
Обращает на себя внимание факт, что практически все отклонения происходят в сторону понижения прочности. Отсюда следует вывод, что для аппроксимации экспериментальных данных в данном случае необходимо уравнение, которое характеризуются меньшим замедлением процесса, т. е. полулогарифмическое уравнение. Об этом также свидетельствуют результаты расчета.
Таблица 1
Зависимость кинетики твердения раствора на основе ВНВ от расхода, вяжущего ивяжущеводного отношения
|
№п/п |
Вид ВНВ |
Расход |
Вяж./В |
Предел прочности при сжатии, МПа, через сутки |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||||
|
1 2 3 |
ВНВ-100 |
350 450 550 |
2,85 3,41 3,95 |
40,4 45,0 37,5 |
57,3 67,8 70,7 |
59,8 70,0 81,0 |
64,3 88,2 102,5 |
|
4 5 6 |
ВНВ-50 |
350 450 550 |
2,49 3,30 3,93 |
14,8 37,2 33,4 |
39,1 46,2 48,6 |
44,7 63,1 69,8 |
55,9 73,3 83,2 |
Рис. 1. Графики твердения растворов на основе ВНВ от расхода, вяжущего и вяжущеводного отношения
Таблица 2
Сравнение расчетной и экспериментальной значений прочности
|
№п/п |
Экспериментальное
|
Расчетное По полулогарифмическому уравнению Разница,% |
Расчетное По уравнению теории переноса Разница,% |
|
1 |
64,3 |
63,89 —0,64 |
63,3 —1,4 |
|
2 |
88,2 |
73,60 —16,55 |
74,8 —15,2 |
|
3 |
102,5 |
97,84 —4,54 |
94,1 —8,2 |
|
4 |
55,9 |
53,86 —3,64 |
58,3 4,3 |
|
5 |
73,3 |
90,75 23,80 |
69,8 —4,7 |
|
6 |
83,2 |
104,48 25,27 |
82,04 —1,3 |
, МПа
Литература:
- Серых Р. Л., Ярмаковский В. Н. Нарастание прочности бетона во времени // Бетон и железобетон. — 1992. — № 3. — С.19–21.
- Рахимбаев Ш. М. Расчет констант некоторых процессов технологии искусственных строительных конгломератов // Проблемы материаловедения и совершенствование технологии производства строительных изделий. — Белгород: Изд-во БТИСМ, МИСИ, 1990. — С.184.
- Рахимбаев Ш. М., Поспелов М. Л. Кинетика твердения модифицированного цементного камня.
- Кравченко И. В., Власов М. Т., Юдович Б. Э. Высокопрочные и особо быстротвердеющие портландцементы. — М.: Стройиздат, 1971. — 230с.
- Прогнозирования прочности бетона при повышенных температурах выдерживания // Бетон и железобетон. — 1994. — № 4. — С.11–13.
- Акиева Е. А. Прогнозирование марочной прочности по результатам краткосрочных испытаний и минералогическому составу.
- В. Сорокин. Ценные свойства вяжущих низкой водопотребности// Строительная газета. -2005.-№ 11.
- Ратинов Б. В., Розенбег Т. И. Добавки в бетон. -М., Стройиздат, 1973–205с.
