Требования к гранулометрическому составу портландцементов для производства сборного железобетона по малопрогревной технологии
РЕФЕРАТ. В мировой практике производства сборного железобетона наблюдаются тенденции снижения температуры изотермической выдержки при тепловлажностной обработке бетона, что связано не только с экономией энергоресурсов при паропрогреве, но и с требованиями повышения долговечности бетона. Проведена сравнительная оценка гранулометрических составов ряда портландцементов с целью получить необходимую прочность бетона после тепловлажностной обработки с пониженной температурой изотермической выдержки.
Ключевые слова: портландцемент, гранулометрический состав, сборный железобетон, тепловлажностная обработка, температура изотермической выдержки.
Keywords: Portland cement, granulometric composition, precast concrete, curing, soaking time.
Введение
В производстве сборного железобетона одним из требований к бетону является его высокая ранняя прочность. Наибольшее распространение среди методов ускорения твердения бетона вследствие своей простоты и эффективности получил метод тепловлажностной обработки (ТВО) при 80—85 °С.Однако известно, что его применение может приводить к ухудшению структуры бетона, снижению деформативно-механических и эксплуатационных свойств по сравнению с аналогичными бетонами нормального твердения, также недостатками являются высокий расход цемента и энергоресурсов.
В мировой практике производства сборного железобетона наблюдаются тенденции снижения температуры при паропрогреве, что связано не только с экономией энергоресурсов, но и с требованиями повышения долговечности бетона, а также с применением в изделиях и конструкциях полимерных закладных деталей. Например, в производстве подрельсовых конструкций за рубежом максимальная температура ТВО не превышает 60 °С [1].
В России при производстве подрельсовых конструкций температура изотермической выдержки составляет 80 °С, что позволяет при двукратной оборачиваемости форм в сутки получать необходимую передаточную прочность бетона для класса В40, составляющую не менее 70 % марочной после ТВО продолжительностью 12 ч. Снижение температуры изотермической выдержки не должно изменять технологического цикла и приводить к увеличению расхода портландцемента в составе бетона.
Одной из важных характеристик портландцемента, обеспечивающих высокую раннюю прочность бетона, является тонкость помола, при этом определяющей характеристикой служит не его удельная поверхность, а распределение зерен по фракциям, т. е. гранулометрический состав [2, 3].
В основном в результатах исследований, представленных в литературе, показано влияние гранулометрического состава цементов на прочность бетона в возрасте 1 сут и более и отсутствуют данные о его влиянии на прочность в возрасте 12 ч, в том числе при применении малопрогревных технологий, что актуально для производства сборного железобетона. В целом вопросы выбора портландцементов для производства сборных железобетонных изделий и конструкций по малопрогревным технологиям освещены в литературе недостаточно, поэтому необходимо провести анализ характеристик портландцементов, влияющих на раннюю прочность бетона.
Материалы и методики исследований
Для исследований были выбраны отечественные портландцементы ПЦ 500-Д0-Н шести заводов–производителей, соответствующие ГОСТ 30515–97 «Цементы. Общие технические условия», и портландцементы ЦЕМ I 42,5Н двух заводов, соответствующие ГОСТ 31108–2003 «Цементы общестроительные. Технические условия», который гармонизирован с европейскими нормами на цемент EN 197–1, как наиболее часто применяемые в производстве бетона класса В40 для подрельсовых конструкций. Минералогический состав портландцементов представлен в табл. 1.
Для определения гранулометрического состава портландцементов был использован лазерный дифракционный анализатор размера частиц MicroSizer 201 (диапазон измерения при диспергировании в жидкости 0,01—2000 мкм), предназначенный для автоматического гранулометрического экспресс-анализа материала в сухом состоянии или суспензии на основе дифракции сходящегося лазерного луча. Обработка данных и расчет результатов производились на компьютере.
Для изучения формирования структуры цементного теста на его ранних стадиях предложена методика определения пластической прочности структуры в разные моменты времени с использованием конического пластометра [4]. Испытания проводились с интервалом погружения конуса, равным 30 мин. В качестве критерия применялось предельное напряжение сдвига (пластической прочности) в МПа, определяемое из выражения
где F — нагрузка, г; h — глубина погружения конуса, см; h = 1 см; K — коэффициент, зависящий от угла конуса при вершине; при 45° K = 0,656.
Результаты определения пластической прочности, возрастающей по мере формирования структуры, выражаются графически в виде пластограммы, на которой можно различить два характерных участка: начальный период формирования коагуляционной структуры (индукционнный период) и период быстрого роста пластической прочности, т. е. перехода в коагуляционно-кристаллизационную структуру.
Нормальная густота и сроки схватывания цементного теста на портландцементе ПЦ 500-Д0-Н определялись по ГОСТ 310.3–76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема»; на портландцементе ЦЕМ I 42,5Н — по ГОСТ 30744–2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка».
В качестве мелкого заполнителя применялся песок, удовлетворяющий ГОСТ 8736–93 «Песок для строительных работ. Технические условия» и ГОСТ 8735–88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний», с модулем крупности 2,03. В качестве крупного заполнителя применялся щебень фракции 5—20 мм, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8267–93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».
Сравнение гранулометрических составов портландцементов
Влияние тонкости помола цемента на раннюю прочность цементного камня показано многими авторами. Расхождения имеются только в количественной оценке. По данным [5], прочность цементного камня в возрасте 1 сут в основном зависит от содержания в нем зерен клинкера размером менее 10 мкм. По данным [6, 7],увеличение прочности цементного камня в начальные сроки твердения объясняется повышенным содержанием в цементе частиц размером менее 5 мкм. В работе [8] показано увеличение прочности бетона в возрасте 3—7 сут с повышением содержания в цементе частиц размером менее 50 мкм. В тонкой фракции цемента содержится повышенное количество менее твердых минералов — алита и С3А [6, 9]. Известно, что с увеличением их содержания в составе цемента повышается ранняя прочность цементного камня. Цементы с более высоким содержанием трехкальциевого алюмината и алита выделяют большее количество тепла при гидратации в раннем возрасте и, следовательно, бетоны на таких цементах будут иметь более высокую прочность [10].
Немецкие авторы приводят распределение зерен по фракциям в цементах CEM I 32,5R и CEM I 52,5R, где обозначение R соответствует цементу, обеспечивающему повышенную раннюю прочность в возрасте 2 сут (табл. 2) [3].
При оценке гранулометрических составов исследуемых отечественных портландцементов нами сравнивалось количество зерен цемента фракций менее 2, 3, 5, 10, 16 и 32 мкм (табл. 3).
Установлено, что содержание зерен размером менее 2 мкм и 3 мкм в цементах ПЦ-1, ПЦ-2, ПЦ-3, ПЦ-4 и ПЦ-7 меньше, чем в остальных цементах, а также меньше, чем в немецком портландцементе более низкого класса CEM I 32,5R. Портландцементы ПЦ-5, ПЦ-6 и ПЦ-8 имели повышенное содержание зерен фракций менее 2 и 3 мкм. При сравнении содержания зерен фракции менее 16 и 32 мкм видно, что ПЦ-1 содержит их меньше по сравнению с немецким портландцементом CEM I 32,5R. В остальных цементах содержание зерен этих фракций сопоставимо с CEM I 32,5R.
Нормальная густота и сроки схватывания
Для обеспечения высокой ранней прочности бетон должен иметь низкое водоцементное отношение. Этому способствует пониженная нормальная густота цементного теста [11]. По данным [12], нормальная густота портландцементов для производства сборного железобетона должна быть не более 27 %, что обеспечивает низкое водоцементное отношение бетонной смеси и, следовательно, повышение ранней прочности. При оценке нормальной густоты все исследованные портландцементы имели ее значение менее 27 %.
Одним из показателей качества цементов для использования их в производстве сборного железобетона являются сроки схватывания. Результаты показали, что портландцементы ЦЕМ I 42,5 (ПЦ-1, ПЦ-3) имеют более удлиненные сроки начала и конца схватывания по сравнению с остальными исследованными цементами (табл. 4).
Кинетика набора пластической прочности цементного теста
Кроме определения сроков схватывания цементного теста в исследовательской практике распространен метод конического пластометра, который позволяет оценить развитие пластической прочности цементного теста в начальные сроки твердения цементных систем [4, 13, 14]. При назначении продолжительности предварительной выдержки бетона перед ТВО целесообразно учитывать длительность индукционного периода твердения цементного теста.
При анализе зависимости пластической прочности от продолжительности твердения цементного теста (рис.1) видно, что для теста из ПЦ-1 и ПЦ-3 индукционный период твердения наибольший.
Рис. 1. Влияние вида портландцемента на кинетику набора пластической прочности равноподвижного цементного теста
Портландцементы ПЦ-5 и ПЦ-8, имеющие самый короткий первый (индукционный) период твердения, содержали повышенное количество частиц размером менее 5 мкм. Портландцементы ПЦ-4, ПЦ-5, ПЦ-6, ПЦ-7, ПЦ-8, имеющие более короткий второй период твердения, характеризующийся быстрым нарастанием пластической прочности, содержали повышенное число частиц размером менее 10 мкм.
По результатам определения сроков схватывания и кинетики набора пластической прочности цементного теста установлены портландцементы, применение которых позволяет сокращать продолжительность предварительной выдержки бетона перед ТВО и назначать более высокую скорость подъема температуры, что необходимо при коротких режимах ТВО вследствие работы предприятий по производству железобетонных изделий в 2—3 смены в сутки.
Прочность бетона, изготовленного по малопрогревной технологии из портландцемента различных производителей
Проведена сравнительная оценка прочности бетона на основе портландцемента различных производителей после ТВО с температурой изотермической выдержки, равной 40 и 50 °С, по режимам 3 + 3 + 5 + 1 и 3 + 3 + 4 + 2, где соответственно показана продолжительность в часах предварительной выдержки, подъема температуры до температуры изотермической выдержки, прогрева при температуре изотермической выдержки, охлаждения. Расход цемента 470 кг/м3, В/Ц = 0,36, Ж = 18 с (рис. 2).
Рис. 2. Прочность бетона на основе портландцемента различных производителей в возрасте 12 ч в зависимости от режима ТВО
Установлено, что наибольшую прочность после ТВО с температурой изотермической выдержки 40 и 50 °С имеют бетоны на портландцементах с повышенным содержанием частиц размером менее 3 мкм.
Выводы
На прочность бетонов после ТВО с пониженной температурой изотермической выдержки большое влияние оказывает гранулометрический состав портландцемента. При сравнении по гранулометрическому составу восьми портландцементов марки ПЦ 500-Д0-Н и ЦЕМ 1 42,5, используемых для производства сборного железобетона, установлено, что ряд отечественных портландцементов имеет меньшее содержание частиц размером менее 2 и 16 мкм, чем в немецких цементах более низкого класса прочности. Анализ кинетики набора пластической прочности показал, что портландцементы, имеющие самый короткий первый (индукционный) период твердения, содержали повышенное количество частиц размером менее 5 мкм. Портландцементы, имеющие более короткий второй период твердения, содержали повышенное число частиц размером менее 10 мкм. По результатам определения сроков схватывания и кинетики набора пластической прочности цементного теста установлены портландцементы, применение которых позволяет сокращать продолжительность предварительной выдержки бетона перед ТВО и назначать более высокую скорость подъема температуры, что необходимо при коротких режимах ТВО. Показано, что прочность бетона после ТВО с температурой изотермической выдержки, равной 40 °С, повышается с увеличением в портландцементах количества частиц размером менее 3 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крикунов И.О. Современные требования к железобетонным шпалам и уровень их качества в России // Бетон и железобетон. 2007. № 5. С. 19—22.
2. Schmidt M. Sonderzemente / 13. Internationale Baustofftagung Ibausil, Weimar, 1997, B. 1, S. 1071—1080.
3. Kühling G. Rissverpressungmit Feinstzementen // BFT. 1992. B. 58. S.106—110.
4. Ребиндер П.А., Семененко Н.А. О методе погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких тел // ДАН СССР. 1949. Т. 64. № 6. С. 835—838.
5. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат, 1983. 279 с.
6. Дуда В. Цемент. М.: Стройиздат, 1981. 463 с.
7. Горчаков Г.И. Строительные материалы. Учебник для студентов ВУЗов. М.:Высшая школа, 1981. 412 с.
8. Сахибгареев Р.Р. Управление процессами структурообразования модифицированных цементных бетонов. Автореф. дис. … д-ра техн. наук, 05.23.05. Уфа, 2011. 51 с.
9. Xu L. et al. Study on the relationship of narrow particle size fractions and properties of cement // XIII Int.Congr.on the chemistry of cement. Madrid, 2011. P. 17, CD-ROM.
10. Венюа М. Цементы и бетоны в строительстве. М.: Стройиздат, 1980. 416 с.
11. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1986. 464 с.
12. Малинина Л.А. Тепловлажностная обработка бетона. М.: Стройиздат, 1977. 158 с.
13. Калмыкова Е.Е., Михайлов Н.В. Исследование процессов структурообразования в цементном тесте и характеристика цементов взамен оценки их по срокам схватывания // Бетон и железобетон. 1957. № 4. С. 118—126.
14. Серенко А.Ф. Беспропарочная технология бетона с учетом аномальных свойств пластифицированных цементных систем. Автореф. дис. … д-ра техн. наук, 05.23.05. СПб, 2009. 40 с.
Автор: О.М. Смирнова |
Рубрика: Бетон |
Ключевые слова: портландцемент, гранулометрический состав, сборный железобетон, тепловлажностная обработка, температура изотермической выдержки |