CC BY
256
Транспортное, промышленное и гражданское строительств
3. Фундаментальные подходы к созданию новых комплексных природозащитных технологий очистки биосферы / Л. Б. Сватовская, Л. Л. Масленикова, Н. И. Якимова и др. - СПб. : ПГУПС, 2003. - 50 c. - ISBN 5-7641-0109-3.
4. Термодинамический и электронный аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, М. Н. Латутова и др.; ред. Л. Б. Сватовская. - СПб. : Стройиздат, 2004. -176 c. - ISBN 5-87897-126-7.
5. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте : учеб. пособие / ред. проф. Н. И. Зубрев, Н. А. Шарпова. - М. : УМК МПС России, 1999. - 592 c. - ISBN 5-89035-020-X.
Статья поступила в редакцию 20.03.2008;
представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым.
УДК 625.142.4:006.354
А. Ф. Серенко, Т. М. Петрова
КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОНОВ
Предложена классификация быстротвердеющих бетонов по технологическим признакам, сформулированы методологические основы производства беспропарочных быстротвердеющих бетонов, осуществлено опытно-промышленное внедрение беспропарочной технологии на Хабаровском, Челябинском и Чудовском заводах железобетонных шпал.
быстротвердеющие бетоны, комплексные добавки, беспропарочная технология, индукционный период твердения.
Введение
Одним из приоритетных направлений развития строительного комплекса, связанных с внедрением ресурсосберегающих технологий и повышением долговечности железобетонных изделий, является разработка и внедрение быстротвердеющих бетонов. Вместе с тем сегодня нет однозначной трактовки термина «быстротвердеющие бетоны». Само собой подразумевающееся понятие о бетонах, набирающих прочность в раннем возрасте более интенсивно, чем обычные бетоны на основе портландцемента, не дает никаких критериев для сравнительной оценки. Существующая классификация методов ускорения твердения цементных бетонов также не дает численных параметров прочности бетона и нормативных сроков их определения.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
170
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Не представляется возможным взять за основу и существующую классификацию быстротвердеющих цементов. Действовавшие ранее нормативные документы на быстротвердеющий (БТЦ) портландцемент устанавливали числовые параметры прочности в нормативные сроки начиная с 3-суточного возраста, что не соответствует требованиям производства и современному уровню развития строительного материаловедения. В ГОСТ 30515-97 «Цементы. Общие технические условия» включена классификация общестроительных цементов по срокам твердения, включающая термин «быстротвердеющие», неопределенно трактуемый как «с нормированием прочности в возрасте 2 суток, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющими». При этом в ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» (с изм. 1992 г.) вообще не установлены сроки испытания, а в ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» (с изм. 1999 г.) индекс Б для быстротвердеющих цементов предусмотрен только для портландцементов с добавками (ПЦ-Д20-Б) и шлакопортландцементов (ШПЦ-Б) с нормируемыми параметрами прочности в возрасте 3 суток.
Вопросу получения быстротвердеющих бетонов в последние годы посвящено достаточно большое количество научных публикаций. Наиболее распространенным является мнение, что быстротвердеющие бетоны должны при нормально-влажностных условиях твердения обеспечивать в течение 1-2 суток достижение 60-70 % прочности от нормативной.
В Одесской государственной академии строительства и архитектуры высказано предположение, что для монолитных бетонов эффективным является достижение высокой прочности за 3 суток [1]. В Пензенской государственной архитектурно-строительной академии предложено в качестве критерия быстротвердеющего бетона считать достижение 50-60% нормативной прочности в суточном возрасте, разработаны составы высокопрочных модифицированных бетонов, удовлетворяющих этим требованиям [2]. В Петербургском государственном университете путей сообщения показана возможность достижения передаточной прочности бетона (70% от нормативной) в возрасте 12 часов при беспрогревной или малопрогревной технологии [3].
1 Классификация быстротвердеющих бетонов
По нашему мнению, невозможно ввести критериальные показатели быстротвердеющих бетонов в отрыве от существующей технологии производства бетона и железобетона. При этом следует учитывать технологию производства конструкций и технологию ускорения твердения бетона. Именно такой подход позволяет ввести классификацию быстротвердеющих бетонов и установить критерии прочности и нормативные сроки их определения (рис. 1).
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
сп
сг>
2
03
Я
о
00
00
.X
Я
03
оз
о
о
н
Я
Я
Я
О
ю
о
о
оо
JU
Я
и
рз
О
О
Я
►&
Я
я
рз
С
к
Я
ОЛ
Е
о
4
о
н
03
о
03
(3
5
я
к
о\
сг>
н
о
Я
о
03
я
о
н
(3
я
я
о
и
о
я
я
я
(3
о
я
я
я
03
я
из
я
рз
я
рз
Транспортное, промышленное н гражданское строительсИсЬ
172
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Достижение высокой ранней прочности в твердеющем бетоне возможно либо за счет применения специальных быстротвердеющих вяжущих, либо при внедрении технологии ускорения твердения бетонов на рядовых цемен -тах. Выпускаемые ранее быстротвердеющие разновидности портландцемента БТЦ за счет увеличенного содержания алита и трехкальциевого алюмина -та в клинкерной части и высокой удельной поверхности предусматривали достижение 55-60 % нормативной прочности только в трехсуточном возрас -те, что не обеспечивает получение быстротвердеющих бетонов в современном понимании без применения методов ускорения твердения.
Разработанные в России высокомарочные цементы марок 700 и 800 пока не нашли широкого применения из-за высокой стоимости и низкого спроса в строительном комплексе. По тем же причинам не увеличивается производство вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), хотя по своим технологическим характеристикам они являются наиболее перспективными для получения высокопрочных и быстротвердеющих бетонов.
Глиноземистый цемент и другие быстротвердеющие вяжущие вещества по стоимости в несколько раз превышают аналогичные вяжущие на основе портландцемента, поэтому их основным назначением остается применение в специальных бетонах, а массовое внедрение для быстротвердеющих бетонов представляется экономически нецелесообразным.
Экономически эффективным оказалось применение технологии ускорения твердения для получения быстротвердеющих бетонов на рядовых цементах. Можно выделить следующие основные методы ускорения твердения: тепловлажностная обработка, введение химических добавок, меха-но-физические методы, включающие интенсификацию твердения в процессе перемешивания бетонной смеси (активация цементного теста, виброперемешивание, вакуумперемешивание, магнитные и градиентные поля, облучение инфракрасными и рентгеновскими лучами и др.) и интенсификацию твердения в процессе формования и уплотнения бетонной смеси (вибропрессование, ультразвук, акустическое поле, центрифугирование, вакуумирование и др.), а также комбинированный метод, представляющий собой сочетание двух или более способов ускорения твердения.
Наибольшее распространение вследствие простоты и эффективности получил метод тепловлажностной обработки, хотя его применение и связано с ухудшением структуры бетона и снижением деформативномеханических и эксплуатационных свойств по сравнению с аналогичными бетонами нормально-влажного твердения. Около 85% объема сборного железобетона в России производится с применением паропрогрева.
Применение химических добавок является самым перспективным методом ускорения твердения бетона, особенно с появлением высокоэффективных пластификаторов. Именно на их основе возможно обеспечение низкого водоцементного отношения и снижение пористости цементного камня, что способствует получению быстротвердеющих и высокопрочных бетонов с высокой долговечностью.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительсТВЗ
В технологии производства бетонных и железобетонных конструкций различают сборный, монолитный и сборно-монолитный методы возведения, причем последний является комбинацией двух предыдущих, на него должны распространяться требования, предъявляемые к сборному и монолитному методу, поэтому он не нуждается во введении новых критериев и может не учитываться в классификации быстротвердеющих бетонов.
Основная часть сборных бетонных и железобетонных конструкций изготовляется с применением паропрогревной технологии по 12-часовому циклу, что обеспечивает двухразовую оборачиваемость форм в сутки на заводах ЖБИ. Критерием является достижение бетоном передаточной прочности для отпуска предварительно напряженной арматуры или обеспечение отпускной прочности, которые в зависимости от вида конструкции составляют 50-70% от нормативной. Увеличение продолжительности цикла нежелательно, так как это приведет к снижению оборачиваемости форм и производительности заводов. Следовательно, для быстротвердеющих бетонов сборных конструкций можно установить следующий критерий: достижение передаточной или отпускной прочности в возрасте 12 часов.
Среди конструкций, возводимых по монолитному методу, следует выделять массивные и тонкостенные. Современные методы бетонирования, например применение скользящей опалубки, позволяют организовать производство монолитных бетонных и железобетонных конструкций по суточному циклу. Разработаны методологические и технологические основы производства бетонов с высокой суточной прочностью [2]. Поэтому для тонкостенных монолитных конструкций за критерий быстротвердеющих бетонов следует принять достижение передаточной или отпускной прочности в суточном возрасте.
В массивных конструкциях нельзя допускать возникновения значительных внутренних напряжений в период твердения за счет неравномерного разогрева при ускоренной гидратации цемента, поэтому нормативные сроки нарастания прочности должны быть увеличены. Переход России на европейские стандарты производства цемента, предусматривающие определение прочностных характеристик в возрасте двух суток, должен облегчить выбор для массивных конструкций цементов с низкой экзотермией и высокой ранней прочностью. В связи с этим представляется целесообразным для быстротвердеющих бетонов массивных монолитных конструкций в качестве критерия установить достижение передаточной или отпускной прочности в возрасте двух суток.
Высказанные выше предпосылки позволяют сформулировать следующее определение для быстротвердеющих бетонов: быстротвердеющими являются бетоны, обеспечивающие достижение передаточной или отпускной прочности в возрасте 12 часов для сборных конструкций и в возрасте 1-2 суток для монолитных конструкций.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
174
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
2 Методологические основы внедрения беспропарочной технологии бетона
Внедрение быстротвердеющих бетонов с ускорением твердения за счет введения химических добавок по беспрогревной или малопрогревной технологии производства в наибольшей степени отвечает поставленным задачам развития ресурсосберегающих технологий и повышения долговечности и качества железобетонных изделий, так как обеспечивает существенную экономию энергоресурсов (до 600 и более Мкал тепловой энергии на 1 куб. м бетона) при одновременном улучшении структуры и свойств цементных бетонов.
Сформулирован основной подход к решению этой проблемы - модифицирование структуры бетонов комплексными добавками полифункционального действия на основе суперпластификаторов [4]. Так как суперпластификаторы могут приводить к увеличению индукционного периода при твердении цемента, для обеспечения высокой ранней прочности в комплексе с ними следует вводить ускорители твердения - высокодисперсные минеральные добавки и электролиты.
Внедрение беспрогревных технологий требует разработки научно обоснованных методологических подходов и критериев к выбору компонентов и расчету состава бетона. Представляется целесообразным выделить следующие основные технологические этапы.
1. Выбор портландцемента, обеспечивающего высокую интенсивность набора прочности в ранние сроки и высокое тепловыделение для обеспечения самопрогрева бетона. В качестве критериев предлагается использовать минералогический состав, тонкость помола, характеристики тепловыделения, прочность цементного камня в раннем возрасте (12 и 24 часа).
2. Выбор пластифицирующих добавок и регуляторов твердения, их проверка на совместимость с цементом. В этих целях следует применять предложенный А. В. Ушеровым-Маршаком термокинетический метод для определения параметров кинетической селективности влияния химических добавок на процессы твердения цемента [5] или разработанный в ПГУПС пластометрический метод с учетом прочностных показателей цементного камня в возрасте 12 часов [6].
3. Подбор составов бетона с применением методов планирования эксперимента. В качестве функции отклика принимаются нормируемые передаточная и марочная прочности при сжатии в заданном возрасте при оптимальном расходе цемента и модифицирующих добавок.
4. Определение свойств бетона подобранного состава. Критериями являются морозостойкость и трещиностойкость подобранного состава бетона. Определяются также свойства контрольного состава бетона, изготовляемого по действующей технологии с тепловлажностной обработкой, производится сравнение свойств и затрат, определяются коэффициенты качества и экономическая эффективность.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительсТВб
5. Производственное внедрение беспропарочной технологии, которое осуществляется с учетом особенностей заводского производства.
Блок-схема предлагаемого методологического подхода приведена на рисунке 2.
МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ
СРАВНЕНИЕ ВЯЖУЩИХ ПО КРИТЕРИЯМ
ПАРАМЕТРЫ
ТЕПЛОВЫДЕ-
ЛЕНИЯ
ВЫБОР ВЯЖУЩЕЕ О
стоимость
ПРОВЕРКА СОВМЕСТИМОСТИ С4 ДОБАВКАМИ ПО КРИТЕРИЯМ
ДЛИТЕЛЬНОСТЬ СКОРОСТЬ и ^ КРИТЕРИИ
ИНДУКЦИОННОЕО СТЕПЕНЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПЕРИОДА ЕИ ДР АТ АЦИИ ДОБАВОК
ВЫБОР МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК
ПЕРЕДАТОЧНАЯ И МАРОЧННАЯ ПРОЧНОСТЬ
ПОДБОР СОСТАВА БЕТОНА ПО КРИТЕРИЯМ
УДОБОУКЛАДЫВАЕМОСТЬ БЕТОННОЙ СМЕСИ
ОПТИМАЛЬНЫЙ РАСХОД ЦЕМЕНТА И ДОБАВОК
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО и КОНТРОЛЬНОГО СОСТАВА
МОРОЗОСТОЙКОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ТРЕТЦИНОСТОЙКОСТЬ КАЧЕСТВА ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ
ВНЕДРЕНИЕ
Рис. 2. Блок-схема методологического подхода к внедрению беспропарочной технологии производства сборного железобетона
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
176
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
3 Производственное внедрение
Высказанные выше предпосылки позволили осуществить опытнопромышленное внедрение производства подрельсовых конструкций из быстротвердеющего бетона по беспропарочной технологии на Чудовском, Хабаровском и Челябинском заводах железобетонных шпал с достижением требуемой передаточной прочности в возрасте 12 часов при одновременной экономии цемента (см. таблицу).
ТАБЛИЦА. Результаты внедрения беспрогревной технологии на заводах ЖБШ России
Наименование завода ЖБШ Требуемая передаточная прочность, МПа Класс бетона Экономия цемента, кг/м3 Сорт шпал по ОСТ 31.1522000
Чудовский 36 В40 30 Первый
Хабаровский 36 В40 61 Первый
Челябинский 43 В50 100 Первый
Заключение
Внедрение беспропарочной и малопрогревной технологии производства железобетонных конструкций на основе применения комплексных добавок сегодня технически возможно и экономически оправдано. Кроме экономии ресурсов и снижения себестоимости, достигается упрощение технологии и повышение качества и долговечности продукции.
Библиографический список
1. Бетоны на цементах, модифицированных комплексной добавкой : дис. ... канд. техн. наук / Т. В. Бабаевская. 05.23.05. - Одесса, 2003. - 19 с.
2. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю. М. Баженов,
В. С. Демьянова, В. И. Калашников. - М. : Изд. Ассоциации строительных вузов, 2006. -368 с. - ISBN 5-93093-422-3.
3. The energy-saving technology in production of prestressed reinforced concrete / T. M. Petrova, E. V. Vikhno, N. A. Dzhashi, A. F. Serenko, D. Y. Opaschko // Weimar (Ger-many)-International Conference on Building materials. (16. ibausil). - Tagungsbericht, band 1, 1-1431 - 1-1438. - P. 2-15. - ISBN 3-00-01863-2.
4. Модифицированные бетоны / В. Г. Батраков. - М. : Стройиздат, 1990. - 400 с. -ISBN 5-274-00-733-3.
5. Кинетическая селективность влияния химических добавок на процессы твердения вяжущих веществ / А. В. Ушеров-Маршак // Неорганические материалы. - 2000. -Т. 35. - № 12. - С. 1531-1534.
6. Определение совместимости цемента с добавками ПАВ по кинетике предельного напряжения сдвига / Т. М. Петрова, А. Ф. Серенко // Цемент и его применение. -2007. - № 3. - С. 82-83.
Статья поступила в редакцию 11.02.2008;
представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
