Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

высококачественные БЕТОНЫ ДЛЯ предварительно напряженных железобетонныХ ПОДРЕЛЬСОВЫХ конструкций

Смирнова Ольга Михайловна

Санкт-Петербург 2013

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

государственный 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 16⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219).

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, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» диссертационный совет Д 212.223.01.

Автореферат разослан «05» марта 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

д.т.н., проф.

Казаков Юрий Николаевич

1. 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 2010г.), гранта правительства Санкт-Петербурга для аспирантов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга распоряжение №74 от 30.10.2012г.

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.Розенберг, А.В. 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.Комохова, С.А.Миронова, Л.А.Малининой, О.П.Мчедлова-Петросяна, А.В.Саталкина, 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 паропрогрева. 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.Ахвердов, 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, J.Plank 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 водоредуцирующего 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 Zetasizer Nano 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 гидратационного 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-Петербург в 2009г. и 2010г.; на международных конференциях 17.IBAUSIL, 18.IBAUSIL, г.Веймар, Германия в 2009г., 2012г.; на 10-ой Международной конференции “Modern Building Materials, Structures and Techniques», г.Вильнюс в 2010 г.; на научно-технической конференции «Бетон в современном строительстве-2010», г.С-Петербург; на IV международной научно-технической конференции «Популярное бетоноведение-2011», г.С-Петербург; на XIII-ом Международном конгрессе по химии цемента, г.Мадрид, Испания, в 2011 г., Всероссийском 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 2013г.

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 и 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.

2. 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 проведенного 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 С₃S в пределах 62,1-66,4%; C₃A - 4,1-7,9%; SO₃ - 2,50-3,12%; R₂O - 0,55-1,15%.

Как показали результаты исследований, активность и марка портландцемента при нормальных условиях твердения, а также его активность после пропаривания 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):

портландцемент бетон подрельсовый конструкция

К_п=R_п/R_ц, (1)

где R_п ? активность цемента после ТВО продолжительностью 12 часов с температурой изотермической выдержки 40°С;

R_ц ? активность цемента при нормальном твердении в возрасте 28 суток.

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 1. Активность и коэффициенты эффективности портландцементов после ТВО

Цемент	Активность цемента, МПа	Активность при 80°С, МПа	Коэффициент эффективности после пропаривания при 80°С	Группа активности при пропаривании при 80°С	Активность при 40°С, МПа	Коэффициент эффективности после пропаривания 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 портландцементы 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 поликарбоксилатные водоредуцирующие модификаторы. Дополнительным условием выбора портландцементов является их совместимость с модифицирующими добавками.

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 поликарбоксилатные 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 ACE 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 ACE 430.

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

R_тво=40,676+0,713X1 + 3,970X2-3,098X1²-2,048X2²-2,070X1X2 (2)

R₂₈=69,171+6,787X1 + 11,567X2-0,647X1²+1,693X2²+1,750X1X2 (3)

где X1- расход добавки Sika Viscocrete 20 Gold (%);

X2- расход портландцемента (кг).

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).



Определение относительного содержания портландита осуществлялось по интенсивности пиков d=1,92; 2,63; 4,92Е; эттрингита - по интенсивности пиков d=9,69; 3,88; 3,03Е, алита - d= 2,77; 2,32; 2,18; 1,76; 1,62Е. 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 цементного камня при введении поликарбоксилатного модификатора происходит в основном за счет изменения структуры цементного камня.

При сравнении структуры гидросиликатных новообразований при электронно-микроскопических исследованиях в образцах цементного камня после ТВО с температурой изотермической выдержки 40єС, видно, что в образце с добавкой Sika Viscocrete 20 Gold (0.4%) образуются более тонкодисперсные и более плотные по структуре новообразования (рис.6-7), 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).

Содержание SO₃ 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 портландцементов весь SO₃ 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 водоредуцирующим 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 портландцементе 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 водоредуцирующее действие уменьшалось.

Таблица 3. Определение сульфатного модуля и содержания растворимых щелочных сульфатов

Цемент	R2О = Na2О + 0,658К2О.	K=K2O+ +1.52Na2O	SO3 в клин-кере	Сульфатный модуль MSO3= SO3/0,85К	При MSO3?0,5
					Форма связывания щелочных металлов	Содержание растворимых щелочных сульфатов, KS= 1,18SO3
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 SO₃ 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 (R₂O) 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 R₂О=0,55 интенсивный рост новообразований, оцениваемый по первому экзоэффекту, наступает через 3-5 минут после затворения и совпадает с моментом перемешивания смеси. Увеличение содержания R₂О 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.



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

Таким образом, в качестве водоредуцирующей добавки целесообразно применять Sika Viscocrete 20 Gold или Glenium ACE 430 с расходом 0,4% (от массы портландцемента). Для обеспечения совместимости с добавкой портландцементы должны характеризоваться пониженным содержанием С₃А - не более 6,3% и содержанием щелочных оксидов R₂О - 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 влияния скорости подъема температуры на прочность бетона с оптимальным расходом добавки после ТВО были выбраны режимы с температурой изотермической выдержки, равной 40°С (т.к. 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 3мкм в пределах 17-20% и коэффициентом эффективности при низкоизотермическом режиме ТВО, равном не менее 0,72 (ПЦ-5), скорость подъема температуры может составлять10°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 выдержки, соответствующее условию достижения максимальной прочности. Определение влияния температуры изотермической выдержки проводилось при скорости подъема температуры 7-8°С/час (табл. 5).

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 водоредуцирующего 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 (таблица 6):

К_дt=R_дt/R_цд, (4)

где R_дt ? активность цемента с добавкой после ТВО с температурой изотермической выдержки t=40, 50 и 60°С;

R_цд ? 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, Кп	Rд40	Rд50	Rд60	Rцд	Кд40	Кд50	Кд60
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 Y от следующих факторов: Rd - расхода добавки (0,3; 0,4; 0,5%), Rc - расхода цемента (400, 440, 480, кг), t - продолжительности ТВО (10, 12, 14 час), Tgrad - температуры изотермической выдержки (40°С, 50°С, 60°С).

Уравнение функции регрессии Y представляется в виде многочлена 2-й степени от 4-х переменных, со значимыми оценками параметров и коэффициентом R²=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 - 0,001*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 (ж-потенциала).

Для установления способности микронаполнителей к адсорбции анионактивных поликарбоксилатных модификаторов и, соответственно, влиянию на диспергирование цементной системы, предложен способ оценки распределения зарядов на поверхности микронаполнителя и осредненного электрокинетического потенциала частиц при рН 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 были получены с помощью центробежно-эллиптической мельницы АС100 (класс мельниц “Активатор C”) фирмы Oy 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 ж-потенциал, равный -1,04 мВ, в воде при рН=12 преобладали положительно заряженные активные центры и частица имела осредненный ж-потенциал, равный +2,08 мВ.

Шлак (ОАО «Северсталь») в воде при рН=12 имел на своей поверхности наибольшее количество отрицательно заряженных активных центров (осредненный ж-потенциал равен -2,12 мВ) по сравнению со шлаком ОАО "Тулачермет" (осредненный ж-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 водоредуцирующее действие анионактивных поликарбоксилатных модификаторов в цементных системах портландцемент-шлак в пределах 15%.

На частицах молотого песка 1 преобладали отрицательные заряды и осредненный ж-потенциал при рН=12 был равен -2,88 мВ, он мало изменился при введении добавки Sika Viscocrete 20 Gold и составил -3,26мВ. 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 ж-потенциал при рН=12 у его частиц был равен -0,06мВ. При введении добавки Sika Viscocrete 20 Gold осредненный ж-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 поликарбоксилатных модификаторов.



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.

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, т.к. увеличение их расхода ведет к снижению ранней прочности бетона.

Для обеспечения требуемой передаточной прочности бетона класса В50 на технологических линиях по производству шпал OLMI 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.

1. На 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 ACE 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 водоредуцирующими добавками, установлено, что микронаполнитель с осредненным электрокинетическим потенциалом, равным -3,26мВ при рН=12, повышает водоредуцирующее 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 80є до 40єС 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 на трещиностойкость 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.руб. в год.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

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 поликарбоксилатной основе от свойств портландцемента после низкотемпературной тепловлажностной обработки / О.М. Смирнова // Известия вузов. Строительство. - №9. - 2012. - С.20-27.

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, Н.А. 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: Cб.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, Н.А. 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 IVнаучно-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 XIII Международного конгресса по химии цемента / Т.М. Петрова, О.М. Смирнова, Р.О. Шабиев // Мадрид, Испания. - 2011. - С.135, СD-ROM

17. Смирнова, О.М. Влияние химико-минералогического состава портландцемента 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. Смирнова, 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.3. - С.53-57

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

20. Смирнова, О.М. Оценка электрокинетического потенциала ультрадисперсных минеральных частиц - как способ выявления реологически активных наполнителей в пластифицированных цементных композициях [Текст]: Cб. 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 OLMI [Текст]: Cб. тезисов международной научно-методической конференции «Путь XXI века» / О.М. Смирнова // ПГУПС. - 2013. - С.47.

Размещено на Allbest.ru

...