Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Опыт применения техногенных отходов 11
1.2 Классификация зол 16
1.3 Пластификаторы и суперпластификаторы для высокоподвижных бетонных смесей 22
1.4 Применение золы-уноса в бетонах 26
1.5 Цель и задачи исследований 31
ГЛАВА 2 Исследования характеристик компонентов для изготовления бетонных смесей транспортного строительства
2.1 Характеристики компонентов
2.1.1 Зола-уноса 34
2.1.2 Цемент 38
2.1.3 Песок 39
2.1.4 Щебень 40
2.1.5 Баритовый щебень 40
2.1.6 Химические добавки 41
2.2 Методы исследований.
2.2.1 Изучение химических и физико-химических свойств золы-уноса 42
2.2.2 Исследование физико-механических свойств бетонных смесей...44
2.2.3 Исследование свойств бетона с золой-уноса 45
ГЛАВА 3 Химические и физико-химические процессы при взаимодействии портландцемента с золой-уноса
3.1 Изучение взаимодействие золы-уноса с гидроксидом кальция. 47
3.2 Рентгенофазовый анализ продуктов взаимодействия золы-уноса с раствором гидроксида кальция 50
3.3 Дифференциально-термический анализ цементного камня с золой-уноса 63
3.4 Электронно-микроскопические исследования цементного камня с золой-уноса 69
Выводы 71
ГЛАВА 4 Разработка составов высокоподвижных бетонных смесей с золой-уноса и суперпластификаторами
4.1 Применение математико-статистического метода планирования эксперимента для установления зависимостей подвижности бетонной смеси от степени наполнения золой-уноса, водой затворения и заполнителей 74
4.2 Применение математико-статистического метода планирования эксперимента для установления зависимостей прочностных показателей бетона от степени наполнения золой-уноса, водой затворения и заполнителей 82
4.3 Применение химических добавок в сочетании с золой-уноса при производстве высокоподвижных бетонных смесей
4.3.1 Влияние суперпластификаторов на свойства высокоподвижной бетонной смеси с золой-уноса 91
4.3.2 Влияние суперпластификаторов на физико-механические показатели бетонов с золой-уноса 98
4.4 Тепловыделение при твердении бетона с золой-уноса 108
4.5 Коррозия арматуры в бетонах с золой-уноса 111
Выводы 113
ГЛАВА 5 Технологический процесс производства высокоподвижных бетонных смесей с золой-уноса и технико-экономическая эффективность опытно-производственных работ
5.1 Технологический процесс производства высокоподвижных бетонных смесей с золой-уноса
5.1.1 Автоматическая система управления БСУ 115
5.1.2 Подбор составов бетонных смесей 119
5.1.3 Статистический метод управления качеством бетона 121
5.1.4 Внедрение бетонной смеси с применениме золы-уноса и суперпластификаторов 123
5.2 Технико-экономическая эффективность результатов исследований
5.2.1 Методика расчета технико-экономической эффективности 129
5.2.2 Экономический эффект от внедрения технологии замены части цемента золой-уноса при производстве товарного бетона на бетоносмесительном узле ООО «Дельта Строй» 131
Выводы 135
Общие выводы 136
Список литературы 139
Приложения 152
- Пластификаторы и суперпластификаторы для высокоподвижных бетонных смесей
- Изучение химических и физико-химических свойств золы-уноса
- Рентгенофазовый анализ продуктов взаимодействия золы-уноса с раствором гидроксида кальция
- Влияние суперпластификаторов на свойства высокоподвижной бетонной смеси с золой-уноса
Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогноз развития промышленности бетона в разных странах мира, охватывающий период до 2030 г., предусматривает сохранение бетона в качестве основного строительного материала, в частности, для сооружения конструкций в транспортном строительстве. При этом улучшение экологии предполагает сокращение расхода природных сырьевых материалов при изготовлении бетона, снижение энергоемкости, а также сокращение выбросов в атмосферу диоксида углерода (СОг) и пыли фракции менее 0,1мм при производстве портландцемента. Анализ научно-технической и патентной литературы свидетельствует о возможности использования частичной замены портландцемента различными промышленными отходами.
Перспективность применения для этих целей золы-уноса диктуется ее свойствами и низкой стоимостью. В настоящее время ассортимент выпуска цемента с золой-уноса значительно снизился. Поэтому наиболее целесообразно введение этого отхода теплоэнергетики непосредственно на бетонном заводе.
В транспортном строительстве находит широкое применение бетонирование сооружений с помощью бетононасосов, что существенно повышает производительность труда, сокращает сроки и улучшает качество строительства. При этом используются бетоны из высокоподвижных бетонных смесей, для которых основной проблемой является обеспечение связности смесей и снижение тепловыделения при твердении, что может быть достигнуто частичной заменой цемента золой-уноса.
В связи с этим исследования по разработке высокоподвижных марок П4-П5 бетонных смесей с золой-уноса на основе использования современных суперпластификаторов для транспортного строительства являются актуальными и позволяют обеспечить улучшение свойств цементных
растворов и бетонов при экономии цементного вяжущего и улучшении экологической ситуации в регионе при сокращении производства цемента, а также снижении затрат на содержание золоотвалов и высвобождение дорогостоящих земель.
Научная гипотеза. Повышение эффекта пластификации бетонной смеси достигается за счет округлой формы частиц золы-уноса, а снижение ее расслаиваемости - вследствие получения более связной структуры в связи с мелкими размерами зерен менее 0,16 мм, располагающихся вместе с цементом в пустотах заполнителя.
Предмет исследования. Бетонные смеси высокой подвижности марок П4-П5 для транспортного строительства с золой-уноса в сочетании с суперпластификаторами и воздухововлекающими добавками.
Методы исследования. Исследования выполнены с использованием современных теоретических, экспериментальных и физико-химических методов исследования (электронная микроскопия, дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы). Теоретические методы базировались на научных положениях математического анализа и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на натурных объектах с использованием современной измерительной аппаратуры.
Научная новизна результатов исследований работы заключается в следующем:
1. Уточнен механизм химических и физико-химических процессов при гидратации
кислой и основной зол-уноса Центрального района России.
Обобщены и развиты представления о структурирующей роли кислой и основной зол-уноса в цементных системах.
Методами электронной микроскопии, дифференциально-термического и рентгенофазового анализа определена особенность воздействия золы-уноса на твердение цементного камня.
4. Изучены закономерности формирования структуры и свойств бетонов при
замене части цемента золой-уноса в зависимости от применяемых
суперпластификаторов.
5. Определена возможность совместного использования
суперпластификаторов на основе поликарбоксилатных эфиров с
лигносульфонатами и воздухововлекающей добавкой для изготовления
бетонов с золой-уноса.
Научно-техническая новизна разработанной бетонной смеси для изготовления тяжелого бетона с баритовым наполнителем подтверждена получением положительного решения по заявке на патент № 08-0031-К 2008128320/03(034876) от 24.08.2009г.
Достоверность полученных результатов обеспечена методически обоснованным использованием комплекса современных физико-химических методов исследования строительного материаловедения (электронно-микроскопического, рентгенофазового и дифференциально-термического анализа), применением стандартных поверенных средств измерений, подтверждена экспериментальными исследованиями и статистической обработкой результатов испытаний.
Практическое значение работы заключается в следующем:
1. Определено влияние суперпластификаторов на высокую раннюю
прочность высокоподвижных бетонных смесей с заменой части цемента золой-
уноса.
Разработаны и оптимизированы составы высокоподвижных марок П4-П5 бетонных смесей с заменой части цемента золой-уноса на основе суперпластификаторов нового типа и воздухововлекающих добавок.
Определены физико-технические свойства бетонов для транспортного строительства с заменой части цемента золой-уноса.
4. Разработаны «Рекомендации по производству высокоподвижных
бетонных смесей с золой-уноса для транспортного строительства».
5. Результаты проведенных исследований внедрены при производстве
подвижных бетонных смесей на заводе ООО «Дельта Строй», входящем в
список предприятий, допущенных Мостовой инспекцией для производства
бетонных смесей на объекты транспортного строительства.
6. Оптимизированы составы высокоподвижных бетонных смесей с
золой-уноса для транспортного строительства, обеспечивающие пониженное
тепловыделение и повышенную стойкость бетонов.
Личный вклад автора заключается в разработке идеи работы, ее цели, в выполнении экспериментальных исследований, анализе, обобщении результатов исследований и их практической реализации.
Автор защищает:
1. Результаты изучения химических и физико-химических процессов
гидратации портландцемента с кислой и основной золой-уноса.
2. Обоснование возможности совместного применения
поликарбоксилатных суперпластификаторов с лигносульфонатами и
воздухововлекающей добавкой для изготовления высокоподвижных бетонных
смесей с золой-уноса для транспортного строительства.
3. Результаты оптимизации составов бетонных смесей высокой
подвижности с заменой части цемента золой-уноса.
4. Рецептуру бетонных смесей с золой-уноса, отвечающую требованиям,
предъявляемым к данному классу материалов.
5. Результаты исследований влияния золы-уноса на физико-
механические свойства бетонов транспортного строительства.
6. Рекомендации по практической реализации результатов исследований
и их технико-экономическое обоснование.
Реализация результатов исследования:
1. Разработан Технологический регламент производства высокоподвижных бетонных смесей с золой-уноса для транспортного строительства для бетонного завода ООО «Дельта Строй».
2. Разработаны Технические условия «Суперпластифицирующие добавки
для бетонов серии «Зика ВискоКрит» («Sika ViscoCrete») ТУ 2493-005-
13613997-2008.
3. Разработаны Технические условия «Суперпластифицирующие
добавки для бетонов серии «Зика Пласт» («Sika Plast») и «Зика ВискоКрит
Мультимикс» («Sika ViskoCrete Multimix») ТУ 2493-007-13613997-2009.
4. Разработанные составы бетонных смесей внедрены в производство на
предприятии ООО «Дельта Строй» и на строительных объектах: при
возведении международного аэропорта «Шереметьево-3», объекта «Деловой
центр» в Мякининской пойме ЗАО «Штрабаг», участка развязки между
Волоколамским и Ленинградским шоссе, изготовление бетонной смеси с
баритовым утяжелителем для объектов ОАО «Газпром» в качестве
заполнителя межтрубного пространства.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
Национальном конгрессе по технологии бетона (Москва 2007г),
Национальном конгрессе по технологии бетона (Москва 2008 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, из которых в изданиях ВАК - 3 работы, получено положительное решение по заявке на патент, в сборниках научных трудов и тезисов докладов научно-технических конференций опубликовано 2 работы.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Полный объем диссертации составляет 158 страниц, включая основной текст на 79 страницах, 65 рисунков, 62 таблицы, 6 приложений (из них 4 акта о внедрении результатов работы) и списка литературы из 121 наименования.
Работа выполнялась в лаборатории ООО «Дельта Строй» и Научно-исследовательском институте транспортного строительства (ОАО ЦНИИС) в период с 2005-2009 гг. под руководством д. т. н. Рояка Г. С.
Автор выражает благодарность Генриху Соломоновичу Рояку за научное руководство и поддержку в выполняемой работе, а также Инге Владимировне Грановской и Валерию Самуиловичу Добкинскому за полезные советы и помощь при проведении исследований.
Пластификаторы и суперпластификаторы для высокоподвижных бетонных смесей
В современной технологии производства бетона и железобетона широко применяют специальные химические добавки, так называемые суперпластификаторы. Они позволяют в широких пределах регулировать подвижность бетонных смесей, прочность, непроницаемость и другие важные потребительские свойства бетона [3, 14, 110].
В числе первых широко применяемых добавок ПАВ-модификаторов бетона были сульфитно-спиртовая барда ССБ и концентрат сульфитно-дрожжевой бражки СДБ, являющиеся отходом производства целлюлозы по сульфитному методу. При комплексной биохимической переработке ССБ в остатке получали концентраты СДБ.
Основными действующими поверхностно-активными составляющими в ССБ и СДБ являются кальциевые (натриево-аммонийные) соли лигносульфоновых кислот. В ССБ и СДБ присутствуют также редуцирующие вещества, преимущественно древесные сахара.
Однако при неправильно выбранных дозировках ССБ и СДБ имело место замедление гидратации цемента и твердения бетона, в связи с повышенным содержанием редуцирующих веществ. Поэтому дальнейшие исследования в области производства добавок были направлены на поиски способов, уменьшающих количество редуцирующих веществ в поверхностно-активных веществах такого вида. В технических лигносульфонатах (ЛСТ), модифицированных карбамидной смолой ЛСТМ-2, удалось понизить содержание редуцирующих веществ до 1,5 — 7,6%.
Механизм пластифицирующего действия ЛСТ связан с адсорбцией лигносульфонатов на поверхности частиц цемента и новообразований, снижением поверхностного натяжения на границе вода-воздух. Эффективность действия добавок типа ЛСТ зависит от химико-минералогического состава цемента, содержания в нем СзА, тонкости помола, содержания щелочей. Основные эффекты связаны с замедлением гидратации СзА и скорости превращения гексагональных С4АНб, являющихся устойчивым соединением из всех гидроалюминатов кальция. С продуктами гидратации трехкальциевого силиката лигносульфонаты образуют прочные комплексы. При повышении содержания щелочей наблюдается замедленное действие лигносульфонатов. Диспергирующая и воздухововлекающая способность ЛСТ зависит от поверхностного натяжения на границе жидкость-воздух, а поверхностное натяжение водных растворов ЛСТ — от молекулярной массы и валентности катиона основания. В целом добавки ЛСТ оказались эффективными и применяются для пластификации бетонных смесей по настоящее время. Вместе с тем появилась практическая необходимость в привлечении других ПАВ для усиления эффекта пластификации [85, 90]. К ним следует отнести полиметиленполинафталинсульфонаты — основной комплекс добавки С-3 (содержание полимера составляет от 60 до 80%) в количестве до 1,0% от массы цемента. Как было установлено, снизить водопотребность при их использовании можно на 10-15%, а для большего снижения водопотребности необходима более высокая дозировка, что не во всех случаях применения С-3 является полезным для обеспечения других свойств бетона и экономически выгодным. Наибольший эффект достигается при использовании цементов с пониженным содержанием С3А и смешанных цементов. При высоких дозировках С-3 возможна потеря подвижности бетонных смесей. Введением в бетонную смесь комплекса пластификаторов С-3 и ЛСТ удается предотвратить преждевременное загустевание бетонной смеси. Дальнейшее совершенствование использования С-3 в бетоне связано с введением С-3 в составе комплексной добавки серии МБ на основе микрокремнезема. Комплексную добавку производят в виде гранул с размером частиц до 100 мкм, в которых частицы Si02 покрыты затвердевшей пленкой С-3 или добавок класса МБ в бетонах с уменьшенным расходом воды, что позволяет получать бетоны с марками по водонепроницаемости W16-W20. Бетоны с такими характеристиками могут быть применены при действии сульфатных и кислых сред без использования способа вторичной защиты [9]. В настоящее время в ряде стран (Япония, Швейцария, Германия, Австрия и других) предложен принципиально новый класс органических соединений для пластификации бетонных смесей: водорастворимые карбоксилатные полимеры (РСЕ). В их структуру введены боковые цепи различной длины. Предложенные суперпластификаторы получили название «гребнеобразные полимеры». Эффективность этих добавок особенно проявляется в случае низких водоцементных отношений. При этом отмечается, что механизм действия поликарбоксилатов обусловлен стерическим отталкиванием боковых цепей адсорбированных макромолекул при объединении цементных продуктов гидратации и «выдавливанием» молекул полимерных ПАВ из зазора между частицами цемента, при малом содержании дисперсионной среды. Для них электростатические силы не являются определяющим фактором процесса пластификации [81, 85, 88, 89]. Схема строения молекулы эфиров поликарбоксилатов представлена на рис. 1.1. В главной цепи полимера обнаруживаются группы молекул с отрицательным электрическим зарядом - карбоксилатные группы. Новыми являются боковые цепи, прикрепленные к главной цепи полимера. Путем варьирования длины главных и боковых цепей, а также количества групп карбоксилатов и боковых цепей, теперь можно теоритически изготавливать множество различных видов продукции. Разнообразие продуктов может быть еще большим, если в главную и боковую цепь встраивать другие группы молекул.
Как известно, у нафталиновых и меламиновых сульфонатов, молекула полимера вследствие своего отрицательного электрического заряда адсорбируется поверхностью зерна цемента. При этом у сульфонатов происходит их быстрое и почти полное поглощение, в то время как у РСЕ-пластификаторов их адсорбционными свойствами можно целенаправленно управлять путем изменения количества карбоксилатных групп. Дополнительно к диспергированию, вследствие электростатического отталкивания зерен цемента, эти зерна удерживаются на расстоянии одно от другого еще и за счет длинных боковых цепей.
Изучение химических и физико-химических свойств золы-уноса
Подвижность бетонных смесей определяли в лабораторных и производсвенных условиях согласно ГОСТ 10181-2000 [25]. Измерения производили при помощи нормального конуса Н = 300 мм. Расслаиваемость бетонной смеси. Расслаиваемость бетонной смеси оценивали показателями раствороотделения и водоотделения. Раствороотделение бетонной смеси, характеризующее ее расслаиваемость при динамическом воздействии, определяли путем сопоставления содержания растворной составляющей в нижней и верхней частях бетонной смеси, уплотненной в форме ФК-200 по ГОСТ 22685. Водоотделение бетонной смеси определяли после ее отстаивания в сосуде вместимостью 1000 см3 в течение 1,5 ч. Воздухосодержание Объем вовлеченного воздуха бетонных смесей определялся в лабораторных и производственньгх условиях согласно ГОСТ 10181-2000 [24] на приборе FORM+TEST . Сохраняемость свойств бетонной смеси. Оценка сохраняемости свойств бетонной смеси проводилась согласно ГОСТ 10181-2000 [25] и заключалась в получении и оценке данных об изменении свойств в течение времени. Первое испытание выполняли непосредственно после окончания перемешивания смеси в заводском бетоносмесителе Betomix 2.0 R Время перемешивания составляло 25с. Второе и последующие испытания проводили через 1 ч до их окончания. Бетонная смесь во время испытаний находилась в автобетоносмесителе КамАЗ с установкой TIGARBO объемом 7 м3 Скорость вращения барабана АБС составляла 1,5-2,0 оборота в минуту, что соответствовало условиям транспортирования бетонной смеси до объекта. Испытания контрольных образцов проводили по ГОСТ 10180-90 [31]. Образцы-кубы изготавливались в поверенных формах методом формования на виброплощадке лабораторной СМЖ-КОНТРОС, соответствующей требованиям техническим условиям ИЦ 115.00.000 ТУ. Хранение образцов производили в камере нормального твердения, обеспечивающей у поверхности образцов температуру 20 С, и относительную влажность воздуха 95%. Нагружение образцов производили на прессе CONTROLS 50-C34L непрерывно со скоростью, обеспечивающей повышение расчетного напряжения в образце до его полного разрушения в пределах 0,6 МПа/с при испытаниях на сжатие. Морозостойкость Испытания бетонов с золой-уноса определяли по третьему методу ГОСТ 10060.2-95 [27] в ООО «Лаборатория по контролю качества строительных материалов и конструкций в мостостроении». Бетонные образцы изготавливали согласно ГОСТ 10180-90. Загружение и замораживание образцов принималось по 6.2.1-6.2.5 ГОСТІ 0060.2-95. Раствор хлористого натрия в емкости для замораживания и оттаивания меняли через каждые 20 циклов. Основные образцы через 2-4 ч после извлечения из емкости взвешивали и испытывали на сжатие по ГОСТ 10180-90. Испытания образцов кубов на водонепроницаемость проводили ускоренным методом по его воздухопроницаемости согласно ГОСТ 12730.5-84 [32]. Для проведения испытаний использовалось устройство типа «Агама» заводской №483, дата выпуска 23.04.08. Измерения начинали при значении давления, создаваемого внутри камеры не менее 0,064 МПа. Перед испытанием образцы выдерживали в помещении лаборатории 1 сутки. Призменная прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона Испытания проводили по ГОСТ 24452-80 на прессе П-250 на образцах 10x10x40 см. в ЦНИИСе в лаборатории к.т.н. В. Н. Строцкого. В процессе испытаний измеряли продольные и поперечные деформации призм. Продольные деформации измеряли с помощью индикаторов часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0.01 мм, поперечные деформации с помощью индикаторов МИГ 2 с ценой деления 0.002 мм. База измерения деформаций: продольных — 240 мм; поперечных - 80 мм. Тепловыделение при твердении Удельное тепловыделение цемента в бетоне определялось расчетным путем на составах реального бетона, в соответствии с величиной подъема температуры во времени согласно ГОСТ 24316-80. Математико-статистический метод планирования Исследования зависимостей подвижности и прочности бетона от степени наполнения золой-уноса, водой затворения и заполнителей выполнены с использованием трехфакторного метода планирования эксперимента. Характеристики однородности прочности бетона
Коэффициент вариации, требуемая прочность, средний уровень прочности бетона с золой-уноса и без нее рассчитан с помощью математических методов и в соответствии с ГОСТ 18105 Ранее полагали, что в тяжелых бетонах в качестве гидравлической добавки к бетонной смеси могут быть использованы, главным образом, кислые золы-уноса. Однако не меньшее значение представляют основные золы-уноса. Поэтому представляло интерес определить их участие, в том числе основной, в процессе твердения портландцемента [60, 119].
Была изучена кинетика поглощения гидроксида кальция образцами золы-уноса по изменению рН среды и изменению содержания гидроксида кальция в растворе. Для исследования были выбраны образцы зол-уноса Рязанской и Каширской ГРЭС. Особенности взаимодействия золы-уноса с раствором гидроксида кальция, который образуется в твердеющем бетоне, был изучен на образцах золы (основная, кислая), отличающихся по своему химическому составу. Для сравнения с золами-уноса - отходами промышленного производства, использовался образец минеральной добавки осадочного происхождения - опока. Содержание гидроксида кальция в растворе в пересчете на СаО во времени представлены в табл. 3.1
Рентгенофазовый анализ продуктов взаимодействия золы-уноса с раствором гидроксида кальция
Основной причиной выделения тепла при твердении бетона является экзотермическая реакция гидратации цемента. Общий тепловой эффект складывается из следующих показателей [4, 39]: — теплоты смачивания порошкообразных веществ водой; — теплоты растворения цементных минералов в воде (растворение обычно сопровождается поглощением тепла); — теплоты химических реакций присоединения воды с образованием гидратов; — теплоты кристаллизации и других фазовых переходов, протекающих в твердеющем цементном камне; — теплоты адсорбции воды на продуктах гидратации. Суммарный тепловой эффект всех явлений мал по сравнению с теплом гидратации. Эффектом указанных явлений можно пренебречь и считать, что количество выделившегося при твердении бетона тепла будет пропорционально весу образующихся в результате гидратации продуктов. Таким образом, математическое описание кинетики гидратации цемента дает математическое описание процесса тепловыделения бетона. Процесс описания тепловыделения бетона был рассмотрен разными учеными. А. А. Гвоздев [17] предложил следующую эмпирическую зависимость (4.3): Q(t)=Qmax(l-e-Yt ) (4.3) Qmax - максимально возможное тепловыделение бетона; у — коэффициент, зависящий от свойств цемента, определяемый опытным путем. Для портландцемента у = 0,013 ч" ; t - время твердения. Тепловыделение цементов различных видов и марок в зависимости от температуры и времени твердения глубоко исследованы российскими учеными Гвоздевым А. А., Запорожцем И. Д., Соловьянчиком А. Р. [12, 17, 40, 93, 104]. Учитывая, что золы-уноса обладают низкой гидравлической активностью, аналогично тонкоизмельченным гранулированным шлакам [13], их тепловыделением можно пренебречь. Скорость процесса тепловыделения зависит от температуры твердения бетона. Чем выше температура твердения, тем более интенсивно происходит процесс тепловыделения [40, 43]. В табл. 4.15 приведены справочные данные по тепловыделению портландцемента М500 для разных температур твердения. Указанные температуры характерны для твердения монолитного бетона транспортных сооружений. Из табл. 4.15 видно, что в различных изотермических режимах твердения бетона темп тепловыделения заметно ускоряется при увеличении температуры твердения. При температуре 40 и 60 С в возрасте 14 и 28 суток тепловыделение практически достигает предельного и дальнейшее количество будет весьма малым, которым можно пренебречь. Используя данные, приведенные в табл. 4.15, было рассчитано тепловыделение на 1 м бетона, с учетом введения в цементное вяжущее золы-уноса. Также при этом учитывалось влияние добавок-суперпластификаторов и воздухововлекающих, позволяющих в сочетании с золой-уноса уменьшить расход активной части — цемента на 1м , что должно сказаться на уменьшении тепловыделения в бетоне. Указанное было подтверждено в расчетах и представлено в табл. 4.16 — 4.17. Из табл. 4.16 и 4.17 следует, что тепловыделение бетона с заменой цемента 10 и 20% золой-уноса ниже, чем у бетона без золы-уноса. В составах с суперпластификатором ВискоКрит-5Нью + ЛСТ-Е + Зика-Аэр, исходя из пониженного содержания цемента тепловыделение бетона существенно снижено по сравнению с составами без золы-уноса, но содержащих добавки ЛСТ-Е + С-3 + СНВ. В массивных мостовых конструкциях возникающие термонапряжения в процессе твердения бетона достаточно большие [ПО], что создает опасность образования температурных трещин. Замена части цемента золой-уноса позволяет уменьшить тепловыделение 1 м3 бетона на 10% при 10% замене и на 20% при 20% замене. 4.5 Коррозия арматуры в бетонах с золой-уноса. Коррозия арматуры в бетоне является частным случаем многообразного явления коррозии металлов и является электрохимическим процессом. Защита стали от коррозии в железобетонных конструкциях в значительной степени основана на пассивирующем действии щелочной среды, образующейся в процессе гидратации и твердении цементного камня. Величины значений рН растворов при изучении модельной системы раствор Са(ОН)2 + зола-уноса находились в пределах 11,6 - 11,8 и практически не менялись в течение 28 суток. Опираясь на многочисленные опыты С. Н. Алексеева [1] показывающие, что сталь теряет пассивность и начинает коррозировать в бетоне, когда значение рН поровой жидкости падает до 11 единиц, а также принимая во внимание мнения Бабушкина В. И. и Баженова Ю. М. [7] о граничном значении рН = 11,7-11,8, можно сделать вывод о том, что замена части цемента золой-уноса не приводит к коррозии арматуры в бетоне. Различная скорость карбонизации бетонов на цементах с разными минеральными добавками С. Н. Алексеев [1] связывает с неодинаковым запасом способных к карбонизации продуктов и прежде всего Са(ОН)г. Методом дифференциально-термического анализа на образцах цементного камня с 10% заменой цемента золой-уноса, с 20% заменой и без золы при температуре твердения 40, 60, и 100 С определялось содержание Са(ОН)2. Из данных табл. 4.18 и 4.19 видно, что с увеличением температуры твердения наблюдается-более высокое химическое связывание гидроксида кальция. Содержание на 1 сутки в образцах с заменой 10% цемента на золу-уноса в среднем на 12 меньше, чем в контрольном составе, с заменой 20% — на 33%. Содержание Са(ОН)2 на 7 сутки в образцах с заменой 10% цемента на золу-уноса в среднем на 33% меньше, чем в контрольном составе, с заменой 20%) — на 34%. Это подтверждает гипотезу о взаимодействии золы-уноса с продуктами гидратации портландцемента с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция [9]. Составы и результаты испытаний образцов цементного камня представлены в табл. 4.18 и табл. 4.19.
Влияние суперпластификаторов на свойства высокоподвижной бетонной смеси с золой-уноса
Основной причиной выделения тепла при твердении бетона является экзотермическая реакция гидратации цемента. Общий тепловой эффект складывается из следующих показателей [4, 39]: — теплоты смачивания порошкообразных веществ водой; — теплоты растворения цементных минералов в воде (растворение обычно сопровождается поглощением тепла); — теплоты химических реакций присоединения воды с образованием гидратов; — теплоты кристаллизации и других фазовых переходов, протекающих в твердеющем цементном камне; — теплоты адсорбции воды на продуктах гидратации. Суммарный тепловой эффект всех явлений мал по сравнению с теплом гидратации. Эффектом указанных явлений можно пренебречь и считать, что количество выделившегося при твердении бетона тепла будет пропорционально весу образующихся в результате гидратации продуктов. Таким образом, математическое описание кинетики гидратации цемента дает математическое описание процесса тепловыделения бетона. Процесс описания тепловыделения бетона был рассмотрен разными учеными. А. А. Гвоздев [17] предложил следующую эмпирическую зависимость (4.3): Q(t)=Qmax(l-e-Yt ) (4.3) Qmax - максимально возможное тепловыделение бетона; у — коэффициент, зависящий от свойств цемента, определяемый опытным путем. Для портландцемента у = 0,013 ч" ; t - время твердения. Тепловыделение цементов различных видов и марок в зависимости от температуры и времени твердения глубоко исследованы российскими учеными Гвоздевым А. А., Запорожцем И. Д., Соловьянчиком А. Р. [12, 17, 40, 93, 104].
Учитывая, что золы-уноса обладают низкой гидравлической активностью, аналогично тонкоизмельченным гранулированным шлакам [13], их тепловыделением можно пренебречь.
Скорость процесса тепловыделения зависит от температуры твердения бетона. Чем выше температура твердения, тем более интенсивно происходит процесс тепловыделения [40, 43]. В табл. 4.15 приведены справочные данные по тепловыделению портландцемента М500 для разных температур твердения. Указанные температуры характерны для твердения монолитного бетона транспортных сооружений.
Из табл. 4.15 видно, что в различных изотермических режимах твердения бетона темп тепловыделения заметно ускоряется при увеличении температуры твердения. При температуре 40 и 60 С в возрасте 14 и 28 суток тепловыделение практически достигает предельного и дальнейшее количество будет весьма малым, которым можно пренебречь.
Используя данные, приведенные в табл. 4.15, было рассчитано тепловыделение на 1 м бетона, с учетом введения в цементное вяжущее золы-уноса. Также при этом учитывалось влияние добавок-суперпластификаторов и воздухововлекающих, позволяющих в сочетании с золой-уноса уменьшить расход активной части — цемента на 1м , что должно сказаться на уменьшении тепловыделения в бетоне. Указанное было подтверждено в расчетах и представлено в табл. 4.16 — 4.17. Из табл. 4.16 и 4.17 следует, что тепловыделение бетона с заменой цемента 10 и 20% золой-уноса ниже, чем у бетона без золы-уноса. В составах с суперпластификатором ВискоКрит-5Нью + ЛСТ-Е + Зика-Аэр, исходя из пониженного содержания цемента тепловыделение бетона существенно снижено по сравнению с составами без золы-уноса, но содержащих добавки ЛСТ-Е + С-3 + СНВ. В массивных мостовых конструкциях возникающие термонапряжения в процессе твердения бетона достаточно большие [ПО], что создает опасность образования температурных трещин. Замена части цемента золой-уноса позволяет уменьшить тепловыделение 1 м3 бетона на 10% при 10% замене и на 20% при 20% замене. Коррозия арматуры в бетоне является частным случаем многообразного явления коррозии металлов и является электрохимическим процессом. Защита стали от коррозии в железобетонных конструкциях в значительной степени основана на пассивирующем действии щелочной среды, образующейся в процессе гидратации и твердении цементного камня. Величины значений рН растворов при изучении модельной системы раствор Са(ОН)2 + зола-уноса находились в пределах 11,6 - 11,8 и практически не менялись в течение 28 суток. Опираясь на многочисленные опыты С. Н. Алексеева [1] показывающие, что сталь теряет пассивность и начинает коррозировать в бетоне, когда значение рН поровой жидкости падает до 11 единиц, а также принимая во внимание мнения Бабушкина В. И. и Баженова Ю. М. [7] о граничном значении рН = 11,7-11,8, можно сделать вывод о том, что замена части цемента золой-уноса не приводит к коррозии арматуры в бетоне. Различная скорость карбонизации бетонов на цементах с разными минеральными добавками С. Н. Алексеев [1] связывает с неодинаковым запасом способных к карбонизации продуктов и прежде всего Са(ОН)г. Методом дифференциально-термического анализа на образцах цементного камня с 10% заменой цемента золой-уноса, с 20% заменой и без золы при температуре твердения 40, 60, и 100 С определялось содержание Са(ОН)2. Из данных табл. 4.18 и 4.19 видно, что с увеличением температуры твердения наблюдается-более высокое химическое связывание гидроксида кальция. Содержание на 1 сутки в образцах с заменой 10% цемента на золу-уноса в среднем на 12 меньше, чем в контрольном составе, с заменой 20% — на 33%. Содержание Са(ОН)2 на 7 сутки в образцах с заменой 10% цемента на золу-уноса в среднем на 33% меньше, чем в контрольном составе, с заменой 20%) — на 34%. Это подтверждает гипотезу о взаимодействии золы-уноса с продуктами гидратации портландцемента с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция [9].
