В. А.ШУШПАНОВ, В.В.ЗАБИЯКА, А.М.КОВТУН, А.А.ПОГОРЕЛЯК, инженеры, С.М.ЧУДНОВСКИЙ, канд. техн. наук (НПП MICTIM), Методологические аспекты применения комплексных модификаторов в ресурсосберегающей технологии бетона
С появлением добавок суперпластификаторов было замечено, что их применение в комплексе с регуляторами твердения (так называемые комплексные модификаторы бетона) позволяет или сократить сроки тепловлажной обработки (ТВО) при относительно низких температурах твердения, или, в некоторых случаях, отказаться от ТВО [1]. При этом эффект действия комплексных модификаторов рассматривается в основном с позиций снижения водопотребности бетонных смесей. Однако из эксперементальных данных тех же авторов видно, что при введении указанных модификаторов существенно меняется характер зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения (R6=/(LI,/B)).
Безобогревное твердение изделий, основанное на использовании внутреннего тепловыделения гидратирующегося цемента и распространенное за рубежом, у нас почти не применяется [2] и недостаточно теоретически обосновано.
НПП “MICTIM” с 1992 года проводились работы по внедрению беспропарочной технологии на различных заводах сборного железобетона Украины с широкой номенклатурой изделий [3].
Было установлено, что наибольший рост прочности бетона в изделиях совпадает с подъемом температуры (At) бетона, который для большинства цементов Украины находится в диапазоне 5-30°С. Измерение прочности и температуры при этом производили датчиками температуры и аккустическими зондами разработки НИИСК Госстроя Украины. Дополнительно было замечено, что величина (At) зависит от минералогического и вещественного состава цемента, вида и количества комплексного модификатора, температуры окружающей среды (tcp), состава бетона и других факторов. Условия твердения изделий отличались: - в теплое время года в естественных условиях, в более холодное - в термосе (с утеплением опалубки) или в пропарочных камерах в металлоформах с импульсной подачей тепла, компенсирующей потерю тепловой энергии. Так же было замечено, что образцы-кубы, твердевшие в нормальных условиях показывали заниженные значения прочности бетона по сравнению с прочностью бетона в изделиях.
В результате проведенных натурных исследований сделан вывод, что процесс интенсификации твердения бетона без дополнительного внешнего источника тепла может рассматриваться с позиций условий самопрогрева за счет изменения термокинетических характеристик гидратирующегося цемента в возрасте до 24 час.
Таким образом методологической основой предлагаемого учета комплексных модификаторов в ресурсосберегающей технологии положена идея раздельного рассмотрения, во-первых: пластифицирующего воздействия ПАВ и, во-вторых самопрогрева бетона за счет интенсивного тепловыделения (Q), путем учета и изменений термокинетических характеристик гидратирующегося цемента [4].
Если в первом случае нас интересует только пластифицирующий эффект добавки, то во втором:
1) минералогический состав цемента, в основном содержание минералов C3S и С3А, как наиболее экзотермичных, у которых коэффициент тепловыделения на порядок выше, чем у C2S раннем возрасте и C4AF ;
2) регулирование схватывания и твердения минералов цемента для одновременного их гидратирования с целью получения максимальной интенсивности тепловыделения в данный момент времени и получения за счет этого максимально возможной температуры бетона.
Методология оценки эффективности комплексного модификатора производится в порядке изложенном на примере.
Пример. Задан условный состав бетона. Расход цемента Ц = 350 кг/м3 и воды В = 180 кг/м”, расход песка П = 610 кг/м3 и щебня Щ = 1250 кг/м”. Материалы: портландцемент ПЦ 400 Здолбуновского цемзавода минералогического состава C3S - 60%; C2S - 18%; С3А-8%; C4AF - 13% с нормальной густотой цементного теста 24% (т.е. Кнг =0,24); кварцевый песок водопотребностью (по Ю.М.Баженову) - 8% (Вп = 0,08); щебень гранитный - 2,5% (Вщ =0,025).
Исследовать эффективность применения комплексного модификатора на основе С-3 с регуляторами твердения, в возрасте 24 час, (т = 1 сут).
Общий расход комплексной добавки составляет 0,9% от массы цемента.
По формуле, изложенной в [5]:
Зная, по предварительным исследованиям данного модификатора, что его пластифицирующий эффект для Ц/В=1,94 при концентрации сухого вещества от массы цемента 0,9% составляет по снижению водо- потребности бетонной смеси АВ =20% от В, просчитывают аналогично значение прочности с учетом снижения водопотребности Bi=B(l-0.20)=145 кг/м3.
Заменяя в формуле (1) значение В на В] решаем: R61roi=9 МПа, т.е. коэффициент роста
прочности за счет пластификации составил: Knjl=9/5.1=1.76.
Для учета влияния самопрогрева бетона на рост его прочности в раннем возрасте используем оригинальный, впервые публикуемый метод расчета тепловыделения цемента в бетоне. Этот метод пригоден для широкого диапазона цементов разных заводов-изготовителей и является универсальным. Для нашего примера методика приведена для адиабатических условий твердения, т.е. без потерь тепловой энергии и, следовательно, в ней для упрощения восприятия не учитываются ни массивность, ни модуль поверхности конструкции.
Для формализации процесса тепловыделения цемента в бетоне были обозначены основные факторы влияния:
-минералогический состав цемента, C3S и С3А,%р— -вещественный состав цемента - добавка основных гранулированных доменных шлаков, Ш,%; -водоцементное отношение цементного теста в бетоне, В/Ц„;
-начальная температура, tH°C.
Используя достаточно большое количество достоверных экспериментальных данных, а также литературных источников [7] с использованием матрицы На-5 теории математического планирования эксперимента, была построена с 10%-ным уровнем доверительной вероятности квадратичная полиномиальная модель удельного тепловыделения цемента в бетоне на первые 24 час твердения (Э, кДж/кг) в виде:
Таким образом, за счет применения комплексного модификатора оптимального состава при учете его пластифицирующего воздействия на бетонную смесь и изменение термокинетических характеристик гидратации цемента прочность бетона в раннем возрасте на данном реальном примере возрасла в 3,16 раза.
В данном материале приведены принципы и основы получния сборных железобетонных и бетонных конструкций по малоэнергоемкой или беспропарочной технологии. Результаты промышленного внедрения на заводах Украины изложены в статье [3].
Выводы.
1. В предлагаемой методике действие комплексных модификаторов рассматривается как с позиций снижения водопотребности бетонной смеси (т.е. снижения В/Ц), но, что не менее существенно, так же с позиций изменения термокинетических характеристик гидратирующегося цемента (т.е. совмещения пиков скорости тепловыделения при гидратации минералов C3S и С3А в первые сутки твердения). В результате получена возможность прогнозирования ранней прочности бетона с достаточной степенью адекватности.
2. 0бязательным условием внедрения предлагаемой методики в производство является применение неразрушающего контроля роста прочности бетона в изделии и температуры твердеющего бетона.
3. Практическое применение предложенной методики позволяет снизить расходы тепловой энергии при изготовлении железобетонных изделий на 50-100%.
Бетон и железобетон, 1999 №2