Методы повышения начальной прочности зимнего бетона



В статье анализируются стадии твердения и реакции гидратации цемента. Установлена взаимосвязь между скоростью гидратации цементных минералов и начальной прочностью бетона. Начальная прочность бетона играет очень важную роль в зимнем бетонировании. От прочности бетона до замерзания зависит ход разрушительных процессов в твердом бетоне. Минералы, продукты гидратации цемента, имеют разную скорость образования и разную прочность. Итак, слабые минералы образуются в самом начале отверждения и имеют низкую прочность. И эти слабые минералы цементного экрана препятствуют образованию более сильных минералов. Технологическим методом разрушения слабых связей цементных минералов является виброизоляция бетонной смеси. Повторная вибрация разрушит эти новые образования цемента, с возможностью образования более прочных минералов цемента. Количество слабых новообразований при гидратации цемента зависит от его минералогического состава. Период и интенсивность вибраций для оптимизации прочности зимнего бетона устанавливаются индивидуально, в зависимости от типа цемента и климатических условий строительства. Представлены результаты сравнительных экспериментов по влиянию величины вибрации бетонной смеси на прочность зимнего бетона.

Актуальность проблемы заключается в необходимости повышения долговечности материалов и изделий, полученных из многокомпонентных химических соединений. Бетон и железобетон, по сути, являются продуктами химического превращения сухих, сыпучих компонентов в твердую породу, после большого взаимодействия друг с другом в присутствии воды. И как отразится реакция между компонентами бетона, и будет ли она, прежде всего, зависит от внешних воздействий. Многовековая строительная практика, основанная на использовании различных материалов, позволила разработать ряд специальных технологий, отвечающих соответствующим изменениям в окружающей среде [1], особенно это касается строительства монолитных железобетонных зданий.

Эта технология повышает эффективность строительства, становится возможным разнообразие архитектурно-выразительных и пространственно-планировочных решений. Эти и другие преимущества бетона не полностью реализованы, так как схемы взаимодействия, составляющие особенности этих систем, основаны на деформируемости, прочностных характеристиках, недостаточно изученных в ранних бетонах для замораживания.

Свойства готовой монолитной бетонной конструкции обусловлены влиянием температуры, влажности и возможностью гидратации цемента при отрицательных температурах. При гидратации цемента образуются различные минералы [1–3]. Минералы нового цементного пласта имеют разную прочность и скорость формования. Наиболее слабые цементные минералы [4–6] образуются в начальный момент твердения бетона и защищают от образования наиболее прочных минералов цемента [7]. Кроме того, начальная температура бетонной смеси и температура окружающей среды оказывают существенное влияние на качество готового монолитного бетона.

Аналитическое решение проблемы

Установлено, что основными факторами, влияющими на прочность, являются различная способность бетона вступать в химические реакции в зависимости от температуры и влажности окружающей среды и времени воздействия этих условий на затвердевание бетона. Степень влияния технологических и эксплуатационных воздействий на свойства готового бетона и раствора определяется при экспериментальном определении прочностных, термических свойств и аналитических зависимостей, составленных на основе исследований. Определены условия для создания требуемых свойств бетона и для решения технологического воздействия [8]. Определены особенности состояния бетонов после кратковременной и длительной рекрутирующей заморозки, прочность на сжатие и растяжение после оттаивания. Зависимость для расчета внешних применений отрицательных температур формализована. Выявлена зависимость прочности на сжатие и прочности на разрыв с химическими добавками [9].

Важнейшим параметром технологии зимнего бетонирования является длительность и период вибрации бетонной смеси. Однако многие авторы рассматривают вибрацию бетонной смеси только как метод уплотнения и укладки бетона [10–12]. Вибрация не рассматривается как фактор активации цемента.

Цель изадачи исследования

Целью исследования является разработка идей по упрочнению замерзания бетона путем разрушения слабых цементных минералов повторяющимися вибрациями. Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи: установить время повторного вибрационного воздействия на бетонную смесь. Время повторной вибрации должно быть связано со скоростью образования таких гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, как гидроалюминаты кальция 4CaO * Al₂O₃ * 19H₂O и 3CaO * Al₂O₃ * 3CaSO₄ * 31H₂O, оксенит CaO * 2SiO₂ * 2H₂O. Повторная вибрация разрушит эти новые образования цемента, и станет возможным формирование более сильных цементных минералов, таких как гиллебрандит 2CaO * SiO₂ * 1,17H₂O, фосагит.

Методология исследования

Известны способы уплотнения бетонной смеси путем вибрации и повторной вибрации, чтобы максимизировать ее уплотнение. Недостатком известных способов является низкая прочность бетона в начальный период его твердения [13].

Технический результат достигается тем, что многократная вибрация бетонной смеси разрушает быстро увлажняющиеся и слабые минералы цемента, тем самым обеспечивая реакцию гидратации более сильных цементных минералов.

Как показано на рисунке 1, концентрация связующих в растворе всегда проходит через максимум и может рассматриваться как промежуточная стадия последовательного процесса гидратации. Следовательно, по изменению во времени концентрации исходного связующего, растворенного в жидкой фазе, можно определить, когда и какой из процессов — растворение вяжущего или высвобождение опухолей — самый медленный предел всего курса гидратации в целом.

Все минеральные вяжущие вещества можно разделить на два типа: быстротвердеющие (например, полугидрат сульфата кальция) и медленные (силикатные компоненты портландцемента) для быстротвердеющих вяжущих, скорость растворения которых очень высока, для Достаточно длительный период (до 20–30 % от общего времени гидратации), скорость процесса ограничивает кристаллизацию новой фазы.

Об этом свидетельствует наличие плато на кривой 1 (рис. 1), высота которого, в данном случае, соответствует растворимости связующего, не зависит от жесткости воды, даже когда она существенно изменяется. Процесс растворения для таких связующих становится ограничивающим только после того, как их концентрация в растворе начинает уменьшаться, поскольку в результате кристаллизация вещества в единицу времени превышает количество материала, поступающего в жидкую фазу одновременно, вследствие растворения исходного связующее.

Для медленно затвердевающих связующих максимум на кривой изменения концентрации (кривая 2 на рисунке 1), соответствующий условию dCmax / dt = 0, достигается за время t₀ kr.

Несоизмеримо до завершения процесса гидратации основной массы связующего. Это означает, что в течение большей части основного периода гидратации кинетика этого процесса ограничивается стадией растворения связующего, как самой медленной, и сам процесс растворения протекает в области диффузии. Максимальная концентрация вещества в жидкой фазе для медленно отвердевающих связующих, как правило, не соответствует их растворимости. В любом случае, никогда нельзя быть уверенным в том, что достигнута концентрация мономинерального связующего, которая соответствует растворимости этой метастабильной фазы.

Рис. 1. Кинетика изменения концентрации вещества в растворе:
1-Полугидрат сульфата кальция (CaSO₄), С * 104Ca₂SiO₄, моль / л;
2-Двухкальциевый силикат (Ca₂SiO₄), С * 102 CaSO₄, моль / л.

Следует учитывать особенности процессов гидратации связующих двух типов, поскольку в их кинетике имеются некоторые количественные (но отнюдь не качественные) различия. Таким образом, для быстротвердеющих связующих хорошо известное теоретическое уравнение дает адекватное приближение. Колмогорова, выведенного в предположении, что кристаллизация происходит из жидкой фазы, скорость зарождения центров и линейная скорость их роста остаются постоянными все время, и кристаллы растут с одинаковой скоростью во всех направлениях, сохраняя сферическую форму до момента контакта с другими кристаллами.

Были исследованы способы повышения прочности бетона с учетом технологических параметров приготовления бетонной смеси, вибрационной. Теоретической основой для проведения экспериментов было положение, известное из химии цемента, что минералы цементного клинкера имеют разные скорости твердения. А самые слабые минералы кристаллизуются быстрее и просеивают более прочные минералы. Многократные колебания бетонной смеси отрывают пленку гидратированных новообразований и ускоряют процессы гидратации наиболее стойких минералов цемента [13].

Когда вибрация повторяется, слабые цементные минералы (три феррита кальция и четыре алюмоферрита кальция), которые разрушают затвердевание более сильных минералов цемента (алита и белита), разрушаются, и, в конечном счете, прочность бетона возрастает, все при прочих равных условиях.

В экспериментах использовались следующие материалы: цемент марки ПЦ-400Д, щебень гранитный размером 10–20 мм, песчаная река со средним модулем размеров. Расход материалов на 1м³ бетонной смеси: цемент — 300 кг; Песок — 680 кг; Щебень — 1325 кг; V / C = 0,5.

Бетонная смесь готовилась на весь объем эксперимента. Три серии образцов были подготовлены для 9 образцов в каждой серии. Все образцы вибрировали на лабораторном вибросите в течение 20 секунд, затем 1 набор образцов помещали в обычную камеру отверждения и холодильную камеру, а оставшиеся образцы снова вибрировали через 0,5 часа после начала смешивания бетонной смеси с водой. и 3 серии вибрировали в третий раз за 1,0 час от начала перемешивания. Наиболее подходящая продолжительность вибрации составляет 10–30 секунд.

Испытание прочности бетона проводили после 28 дней нормального отверждения и в замороженном состоянии при температуре минус 20 ° С, которые до испытания выдерживали в течение 1 дня в нормальных условиях. Результаты экспериментальной работы приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Результаты сравнительных испытаний.

№	Дни	Прочность, МПа (кг / см2)			Прочность контрольных образцов, МПа (кг / см2)
		Количество вибраций
		1	2	3
1	3	11.1 (111)	12.1 (121)	13.4 (134)	13.5 (135)
2		11.4 (114)	12.4 (124)	13.5 (135)	14.5 (145)
3		11.6 (116)	12.6 (126)	13.2 (132)	13.3 (133)
4	7	11.9 (119)	14.4 (144)	15.3 (153)	15.4 (154)
5		12.5 (125)	14.5 (145)	15.9 (159)	15.0 (150)
6		12.7 (127)	14.6 (146)	14.8 (148)	16.8 (168)
7	28	13.7 (137)	23.7 (237)	27.8 (278)	28.3 (283)
8		13.8 (138)	24.0 (240)	28.5 (285)	28.6 (286)
9		14.3 (143)	24.9 (249)	28.7 (287)	28.5 (285)

Результаты экспериментальной работы представлены на рисунке 2. Результаты испытания прочности бетона при раннем замерзании показывают, что три вибрации не влияют на прирост прочности замороженных образцов. Вибрация бетонной смеси перед замерзанием увеличивает первоначальную прочность бетона. И в таком бетоне при замерзании происходят менее разрушительные процессы.

Рис. 2. Результаты испытаний прочности бетона при повторных вибрациях: 1 — бетон повторно вибрирует 1 раз, 2 — бетон вибрирует 2 раза, 3 — бетон вибрирует 3 раза, 4 — контрольные образцы, не подвергнутые замораживанию

Выводы

1. Проведенные эксперименты позволяют сэкономить цемент при правильном назначении времени перемешивания до 20 %.
2. Время повторной вибрации определяется свойствами исходного цемента. В соответствии с нормальной плотностью цементного теста, прибор Вика устанавливает время гидратации клинкеров цементной пасты.
3. Оптимальное время повторного воздействия бетонной смеси находится в пределах 0,5–1,5 часа в зависимости от минералогического состава цемента.
4. Необходимая продолжительность вибрации зависит от массивности бетонной конструкции и характеристик вибратора.
5. Обсуждение результатов и перспектив дальнейших исследований.

Повышение начальной прочности бетона, ревибрации актуально. Но есть вопросы, которые необходимо решать в дальнейших исследованиях.

1. Период повторной вибрации зависит от минералогического состава цемента, поэтому период повторной выдержки велик, необходимо установить время повторной вибрации для конкретных типов цемента.
2. Для обеспечения минимума, необходимого для устойчивости к разрушительным явлениям прочности, бетон при раннем замерзании может подвергаться повторным вибрациям.

Литература:

1. Миронов С. А. Теория и методы зимнего бетонирования 1977 г. (Москва, Стройиздат), стр. 700
2. Пикус Г. А., Лебедь А. Р. 2017 Утепление монолитных конструкций в зимний период Серия конференций IOP: материаловедение и инженерия / Международная конференция по строительству, архитектуре и техносферной безопасности 2017, ICCATS 2017 (Челябинск) 262 012064
3. Антонина Ю., Рафаэль О. 2017 Технология зимнего бетонирования монолитных конструкций с применением нагревательного кабеля Архитектура и инженерия 2 (2) с 172
4. Taylor H F W 1997 Химия цемента Томас Телфорд, стр. 325
5. Матчей Т., Лотенбах Б., Глассер Ф. П. 2007 Термодинамические свойства гидратов портландцемента в системе CaO — Al2O₃ — SiO₂ — CaSO₄ — CaCO₃ — H₂O Исследования цемента и бетона 37 (10) с. 1379–1410
6. Pollmann H 1989 Твердый раствор в системе 3CaO * Al2O3 * SO4Iaq — 3CaO * Al2O3ICa (OH) 4Iaq — H2O при 25 ° C, 45 ° C, 60 ° C, 80 ° C Neues Jahrb. Минеральная. Аб. 161 27
7. Бржанов Р. Т. 2010 Структурно-фазовые изменения в бетоне при раннем замерзании Научный журнал «Вестник КазГАСА» 88 (2) с. 82–88
8. Юань Дж. И др. 2017 Механизмы солеотморожения при бетонировании Журнал материалов в гражданском строительстве 29 (3) C. D 4015002
9. Карагол Ф. и др. 2013 Влияние нитрата кальция как добавки антифриза на прочность бетона на сжатие при низких температурах. Холодные регионы Наука и технологии 89 с. 30–35
10. Хонг С., Парк С. К. 2015 г. Воздействие вызванных транспортным средством вибраций на бетон раннего возраста при расширении моста. Строительство и строительные материалы 77 стр. 179–186
11. Scerrato D et al 2016 На пути к разработке обогащенного бетона с улучшенными характеристиками рассеяния цемента и бетона Исследования 84 стр. 48–61
12. Figueiredo A D, Ceccato M R 2015 Анализ работоспособности железобетона со стальным волокном с использованием материалов для испытаний на осадки и Ve-Be 18 (6) стр. 1284–1290
13. Бржанов Р. Т., Бишимбаев В. К. 2011 г. Способ зимнего бетонирования. Инновационный патент Республики Казахстан № 25073 Опубликован бюллетень изобретения Республики Казахстан 12