Виноградова Елена Владимировна. Высокопрочный быстротвердеющий бетон с компенсированной усадкой

brief description

Виноградова Елена Владимировна. Высокопрочный быстротвердеющий бетон с компенсированной усадкой : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.05 Ростов н/Д, 2006 167 с. РГБ ОД, 61:07-5/764

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
на правах рукописи

Виноградова Елена Владимировна
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЙ БЕТОН С КОМПЕНСИРОВАННОЙ УСАДКОЙ
05.23.5 - «Строительные материалы и изделия»
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Г.В. Несветаев
Ростов-на-Дону - 2006 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1 Перспектива применения высокопрочных бетонов в современном строительстве 9
1.1.1 Классификация. Понятие высокопрочного бетона (HSC) 9
1.1.2 Исторический обзор применения высокопрочного бетона 12
1.1.3 Эффективность применения высокопрочных бетонов 14
1.1.4 Основные принципы получения высокопрочных бетонов 16
1.1.5 Проблемы: собственные деформации - контракционная усадка
и раннее трещинообразование 19
1.2 Перспективы применения быстротвердеющих бетонов (HSRC) 28
1.2.1 Классификация высокопрочных быстротвердеющих бетонов 28
1.2.2 Исторический обзор получения быстротвердеющего бетона 31
1.2.3 Эффективность применения быстротвердеющих бетонов 31
1.2.4 Эффективность суперпластификаторов и ускорителей 32
1.3 Цели и задачи исследования 35
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 37
2.1 Материалы, использованные в экспериментальных исследованиях 37
2.2 Методика экспериментальных исследований 47
2.2.1 Стандартные методы испытаний 48
2.2.2 Нестандартные методики и методики разработанные в настоящей
работе 55
ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ
И УСКОРИТЕЛЕЙ 76
3.1 Оценка эффективности суперпластификаторов 76
3.1.1 Влияние суперпластификаторов на водопотребность 77
3.1.2 Влияние суперпластификаторов на формирование прочности 78
3.1.3 Влияние суперпластификаторов на деформации усадки 89
з
3.1.4 Влияние суперпластификаторов на ползучесть
и модуль упругости 99
3.2 Оценка эффективности ускорителей 103
3.3 Гидратация портландцемента с добавками в ранний период 111
Выводы 121
ГЛАВА 4 ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ 123
4.1 Влияние расширяющей добавки на эффективность ускорителей и суперпластификаторов 123
4.2 Комплексная добавка для высокопрочного быстротвердеющего бетона.... 129
4.3 Гидратация портландцемента с комплексной добавкой 132
4.4 Кинетика твердения цементного теста в ранний период 137
4.5 Влияние расширяющей добавки на деформации бетона 143
4.6. Кинетика твердения бетона с комплексной добавкой 153
4.7. Влияние комплексной добавки на морозостойкость 158
4.8. Влияние добавок на сульфатостойкость 162
4.9. Возможные химические соединения при введении комплексной добавки 165
Выводы 167
ГЛАВА 5 ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ 168
5.1 Общая зависимость нарастания прочности во времени 168
5.2 Модуль упругости высокопрочного быстротвердеющего бетона 183
5.3 Усадка высокопрочного быстротвердеющего бетона 190
5.4 Ползучесть высокопрочного быстротвердеющего бетона 192
Выводы 194
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 196
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 199
ПРИЛОЖЕНИЕ 214
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Для повышения технологической обеспеченности современных про¬ектных решений применяются бетоны нового поколения с высокими тех¬нологическими и эксплуатационными свойствами и гарантированными по¬казателями качества, которым отводится важная роль в сложных инженер¬ных сооружениях XXI в. За последние 6 лет в Российской Федерации воз¬ведено более 750 тыс.м3 специальных железобетонных конструкций, из ко¬торых:
•і
50 тыс.м - из высокопрочного бетона классов В50 - В60 и вы¬ше;
250 тыс.м3 - из бетонов высокой плотности и коррозионной стойкости;
450 тыс.м3 - из бетонов классов В 30- В 45 с решением различ¬ных технологических задач.
Отличительной особенностью быстротвердеющих высокопрочных бетонов является, как правило, пониженная водопотребность бетонных смесей и, соответственно, низкое значение водовяжущего отношения, что предопределяет повышенную плотность, водонепроницаемость и долго¬вечность таких бетонов. Одним из основных факторов, определяющих дол¬говечность высокопрочных и высококачественных бетонов, являются их собственные деформации. Бетоны с компенсированной усадкой применя¬ются для обеспечения усадочной и технологической трещиностойкости изделий, а также для обеспечения высокой водо-, газонепроницаемости и морозостойкости. Проблема получения высокопрочных быстротвердею¬щих бетонов может быть решена модифицированием его структуры ком¬плексными добавками различного функционального назначения. Много- компонентность бетонной смеси позволяет эффективно управлять струк- турообразованием на всех этапах технологии и получать материалы с тре¬буемыми свойствами. Для практической реализации поставленной задачи целесообразно использование комплексного модификатора, регулирующе¬го технологические свойства бетонной смеси, темп твердения и собствен¬ные деформации бетона. В качестве рабочей гипотезы выдвигается поло¬жение о том, что использование эффективного применительно к отечест¬венным портландцементам суперпластификатора в сочетании с эффектив¬ным ускорителем твердения и расширяющей добавкой сульфоалюминат- ного типа для регулирования собственных деформаций и темпа твердения бетона, позволит получить высокопрочный быстротвердеющий бетон на основе выпускаемых промышленностью портландцементах, свойства ко¬торого в принципе должны соответствовать общим для портландцемент- ных бетонов закономерностям «состав - структура - свойства».
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является развитие научных пред¬ставлений о формировании структуры и взаимосвязи свойств многокомпо¬нентного быстротвердеющего высокопрочного бетона с регулируемыми собственными деформациями на основе портландцемента и комплексного модификатора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить влияние суперпластификаторов на различной химиче¬ской основе, вида цемента и условий твердения на формирование прочности и деформативность портландцементных композиций и определить целесообразный для комплексного модификатора су¬перпластификатор;
- исследовать влияние ускорителей в сочетании эффективным су-перпластификатором на формирование прочности цементного камня в ранний и последующий периоды твердения и выбрать эффективный ускоритель твердения;
- изучить влияние расширяющей добавки (РД) сульфоалюминат- ного типа на развитие собственных деформаций и процессы фор¬мирования прочности модифицированных суперпластификато¬рами и ускорителями вяжущих;
- исследовать влияние комплексной добавки «суперпластифика- тор+ускоритель+РД» на технологические свойства бетонных сме¬сей;
- выявить основные закономерности «состав-структура-свойства» быстротвердеющего высокопрочного бетона с компенсированной усадкой и получить основные зависимости между прочностными и деформативными показателями качества бетонов.
Научная новизна работы заключается:
-в сформулированных на основе выявленных общих закономерно¬стях «состав-структура-свойства» принципах получения быстро и особо- быстротвердеющего высокопрочного портландцементного бетона с час¬тично компенсированной контракционной и влажностной усадкой;
-в обосновании классификации бетонов по скорости набора прочно¬сти на «быстротвердеющий» и «особобыстротвердеющий»;
-в развитии научных представлений о формировании структуры и свойств бетонов на основе расширяющегося цемента при низких значениях В/Ц и различных темпах набора прочности с целью управления собствен¬ными деформациями;
-в установленных и представленных в аналитическом виде общих за¬висимостях между основными свойствами быстро и особобыстротвер- деющего высокопрочного бетона.
Практическая значимость работы заключается
- в разработанных принципы получения и предложенных составах быстро и особотвердеющих высокопрочных бетонов с регулируемыми собственными деформациями на рядовых портландцементах;
- в разработанном комплексном модификаторе, включающем супер-пластификатор, ускоритель твердения, глиноземистый цемент и гипсовый камень;
- в установленных количественных значениях предела призменной прочности, предела прочности при растяжении, начального модуля упру¬гости и параметров диаграммы «напряжения-деформации», величин харак¬теристики ползучести, деформаций контракционной и влажностной усад¬ки, позволяющих расширить нормативную базу для проектирования желе¬зобетонных конструкций из высокопрочных быстро и особобыстротвер- деющих бетонов;
- в оценке влияния разработанного комплексного модификатора на морозо- и сульфатостойкость бетонов.
Реализация результатов. Разработанные рецептуры и методики ис¬пользуются ООО «Технология и материалы», г. Ростов - на - Дону, при производстве специальных сухих строительных смесей марки ТиМ 07 и ТиМ 09.
Работа выполнялась в рамках НТП «Архитектура и строительство» Министерства образования и науки РФ, госбюджетная тема «Критические технологии производства бетонных работ в экстремальных условиях», шифр 04.01.360 2002-2004 г.
Достоверность исследований обеспечена:
— использованием методик, регламентированных действующими стандартами, поверенного оборудования;
— использованием современной вычислительной техники и про¬граммного обеспечения при обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества контрольных образцов- близнецов, обеспечивающего доверительную вероятность 0,95 при погрешности не более 10%.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци¬онной работы докладывались и обсуждались на Международных научных конференциях: «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2002 - 2006 гг.), «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону 2004, 2006 гг.), Все¬российских научно-технических конференциях: «Наука, техника и техноло¬гия XXI века» (г. Нальчик: Кабардино-Балкарский государственный универ¬ситет, 2003, 2005 гг.), Международных научных семинарах: XV Russian- Slovak-Polish Seminar «Theoretical Foundation of Civil Engineering (Moscow; Rostov-on-Don; Warszawa, 2006)».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 работ общим объемом 1,18 пл., в том числе 10 - без соавторов, 1 - в рецензируе¬мом издании.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из ведения, 5 глав, основных выводов, списка используемой литературы из 163 наиме¬нования, изложена на 216 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 33 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность ООО «Технология и ма¬териалы», лично главному инженеру-технологу А.В. Жукову за оказанную помощь в исследованиях ползучести и предоставлении материалов для проведения экспериментальных исследований.
Работа выполнена под руководством доктора технических наук, профессора Несветаева Г.В.

bibliography

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:
1. Развиты научные представления о формировании структуры и взаимосвязи свойств многокомпонентного быстротвердеющего высокопрочного бетона с регулируемыми собственными деформациями на основе портландцемента и комплексного модификатора. Предложен состав комплексной добавки для производства особобыстротвердеющих высокопрочных бетонов «суперпластификатор (СП-1 или melment F10) + ускоритель твердения (карбонат лития) + РД сульфоалюминатного типа». Состав добавки назначается из расчета СП 0,8 % массы вяжущего, карбонат лития 0,1 - 0,2 %, РД - 12 - 18% при количестве компонентов РД, обеспечивающих суммарное соотношение А120з / SO3 в составе вяжущего в пределах 1,8 - 2,. Предложен состав высокопрочного особобыстротвердеющего бетона Ц:П:Щ:В = 1 : (0,82 - 1,1) : (1,5 - 1,7): (0,27 - 0,32), обеспечивающий в прочность бетона в проектном возрасте более 80 МПа при применении ПЦ 500 ДО в качестве основы для вяжущего.
2. Произведена оценка эффективности большой группы различных по химическому составу суперпластификаторов (нафталиноформальдегидные, меламиноформальдегидные, поликарбоксилатные, акрилатные) по показателям водоредуцирующей способности, влияния на гидратационную активность, усадку, модуль упругости и ползучесть цементного камня. Установлено, что в зависимости от дозировки и вида СП обеспечивают снижение водопотребности от 17 до 39%. В наибольшей степени негативно на гидратационную активность отечественных цементов влияют поликарбоксилатные СП, в связи с чем, с учетом высокой стоимости акрилатных СП, для применения в производстве высокопрочных особобыстротвердеющих бетонов рекомендован меламиноформальдегидный СП melment F10, применение которого приводит к незначительному, до 10%, снижению усадочных деформаций, либо к их повышению до 32% в зависимости от вида цемента. Менее эффективен нафталиноформальдегидный СП-1, вызывающий повышение деформаций усадки от 10 до 60%. В зависимости от влажностных условий твердения собственные деформации бетона в течение года наблюдений составили от 0,4 мм/м (расширение в воде) до - 0,35 мм/м (усадка при ср < 50%).
3. Применение СП melment F10 и СП-1 приводит к незначительному, менее 10 %, повышению модуля упругости цементного камня, в связи с чем начальный модуль упругости особобыстротвердеющих высокопрочных бетонов превышает этот показатель для равнопрочных портландцементных бетонов не более чем на 7%, а диаграмма «напряжения - деформации» при осевом центральном сжатии хорошо описывается известной формулой Саржина. Однако оба СП вызывают повышение ползучести цементного камня до 50%, в связи с чем характеристика простой линейной ползучести особобыстротвердеющих высокопрочных бетонов в сравнении с равнопрочным портландцементным бетоном выше в 1,5 раза.
4. При выборе ускорителей твердения по критерию значения прочности в возрасте 6 и 24 часа предпочтение следует отдать формиату кальция и карбонату лития. В связи с тем, что рациональная дозировка карбоната лития (0,2 - 0,4%) на порядок ниже, чем формиата кальция (2-4%), для производства особобыстротвердеющих высокопрочных бетонов рекомендован карбонат лития. Показано, что нарастание прочности во времени хорошо описывается известной зависимостью ЕКБ-ФИП при значении к = 0,11
- 0,13, при этом в суточном возрасте при нормальных условиях твердения обеспечивается 52 - 67% проектной прочности бетона, т.е. отпускная прочность, что предлагается в качестве критерия определения «особобыстротвердеющего» бетона.
5. Установлено, что применение СП, в зависимости от вида и дозировки, продлевает «индукционный период» на 4 - 8 часов, а при введении СП совместно с ускорителем увеличение индукционного периода составляет 1
- 2 часа, но по его завершению процесс гидратации, протекает более интенсивно, в связи с чем в итоге в суточном возрасте степень гидратации превышает значение для бездобавочного цемента. Применение комплексной добавки «суперпластификатор + ускоритель твердения + РД» обеспечивает повышение тепловыделения в суточном возрасте до 22%. Суммарный эффект применения ускорителя и РД проявляется в сокращении до 3,5 часов индукционного периода в системе «ПЦ + РД + СП + ускоритель твердения».
6. Предел прочности высокопрочного особобыстротвердеющего бетона подчиняется закону В/Ц, Влияние условий твердения (сухие или влажностные) на рост прочности после 28 суток незначительное, в пределах 10%. Соотношение между призменной и кубиковой прочностью соответствует известному для общестроительных бетонов, а также бетонов с компенсированной усадкой значению Rpr = (0,78 - 0,8), а предел прочности при растяжении соответствует общеизвестной зависимости Rt = 0,3R°’6, что позволяет проектировать конструкции из высокопрочных особобыстротвердеющих бетонов без корректировки нормативных и расчетных сопротивлений.
7. Применение комплексной добавки повышает морозостойкость бетонов, полученных из равноподвижных смесей примерно на 20%. При испытаниях на сульфатостойкость предельные деформации расширения в составах с добавкой не зафиксированы через 6 месяцев испытаний, в то время как эталон через 3 месяца испытаний показал предельные деформации расширения в растворе сульфата натрия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айрапетов Г. А. Технологические основы обеспечения качества бетона в процессе тепловой обработки.: Автореф. дисс. д. т. н. - М., МИСИ, 1984.- 42с.
2. Александровский С.В. К итогам Международного симпозиума по усадке бетонов//Бетон и железобетон.- М.: 1968, № 11- 254с.
3. Александровский С.В. Экспериментально-теоретические исследования усадочных напряжений в бетоне//Бетон и железобетон. - М.: Стройиздат, 1965.-285 с.
4. Аронов Б.А., Кун П.П. и др. Прогнозирование характера и эффективно¬сти действия добавок-ускорителей и замедлителей твердения цемен- та.//Бетон и железобетон. - 1993. - № 8. - с. 13-15.
5. Арутюнян Н.Х. Ползучесть стареющих материалов. Ползучесть бето- на.//Механика твердого тела. - М.: 1967 № 6 - с. 12 - 46
6. Афанасьев А. А., Матвеев Е. П., Минаков Ю. А. Технологическая эф¬фективность ускоренных методов твердения бетонов в монолитном до¬мостроении// Бетон и железобетон. -1997. - №8. - с.36-37.
7. Ахвердов И. Н. Основы физики бетона. - М.: Стройиздат, 1981. - 464с.
8. Ахвердов И.Н. Высокопрочный бетон. - М.: Госстройиздат, 1961. - 128 с
9. Бабков В.В.,Мохов В.Н, Капитонов С.М., Комохов П.Г.Структурообразование и разрушение цементных бетонов. - Уфа, ГУП «Уфимский полиграфкомбинат», 2002 - 376с..
10. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Стройиздат, 2002. - 500 с.