CC BY
87
DOI: 10.21122/2227-1031-2016-15-4-271-280 УДК 666:941; 693.54
Кинетика твердения бетона с наноуглеродной добавкой УКД-1 в варианте беспрогревной технологии
Асп. О. Ю. Марко1*, докт. техн. наук, проф. Э. И. Батяновский2)
^Белорусско-Российский университет (Могилев, Республика Беларусь), 2)Белорусский национальный технический университет (Минск, Республика Беларусь)
© Белорусский национальный технический университет, 2016 Belorusian National Technical University, 2016
Реферат. Изложены результаты исследований влияния отечественной комплексной химической добавки, содержащей структурированный углеродный наноматериал и характеризующейся совмещенным (ускоряющим твердение и пластифицирующим) эффектом на кинетику твердения бетона в беспрогревном варианте технологии монолитного бетонирования. С использованием стандартизированных и оригинальных методик экспериментально выявлены закономерности роста прочности тяжелого цементного бетона под влиянием отдельно взятого ускоряющего компонента добавки УКД-1 и самой этой добавки в зависимости от ее дозировки (в диапазоне 0,5-2,0 % от массы цемента). Оценены зависимости темпа роста бетона с добавкой УКД-1 от основных технологических факторов - качества цемента, величины водоцементного отношения, состава бетона и консистенции бетонной смеси, температуры среды твердения и теплоизолирующих характеристик форм-опалубок. Это позволило обосновать рациональные режимы и параметры условий твердения бетона с добавкой УКД-1 для обеспечения прочности (на сжатие) в диапазоне 50-100 % от требуемой в проектном возрасте (28 сут.) без затрат энергии на ускорение его твердения.
Ключевые слова: бетон, кинетика твердения, наноуглеродная добавка УКД-1, беспрогревная технология
Для цитирования: Марко, О. Ю. Кинетика твердения бетона с наноуглеродной добавкой УКД-1 в варианте беспрогревной технологии / О. Ю. Марко, Э. И. Батяновский // Наука и техника. 2016. T. 15, № 4. С. 271-280
Curing Kinetics of Concrete with UKD-1-Nanocarbon Additive in Version of Non Warm-Up Technology
O. Yu. Marko1*, E. L Batyanovsky2*
^Belarusian-Russian University (Mogilev, Republic of Belarus), 2)Belarusian National Technical University (Minsk, Republic of Belarus)
Abstract. The paper presents results of investigations on influence of domestic complex chemical additive containing structured carbon nanomaterial and characterized by combined (curing acceleration and plasticizing) effect on concrete curing kinetics in non warm-up version of monolithic concreting technology. Standardized and original methods have revealed experimentally regularities in increase of strength for heavy cement concrete under the influence of specific accelerating UKD-1 additive component and the additive itself according to its dosage (within the range of 0.5-2.0 % of cement mass). Growth rate dependences for the concrete with UKD-1 additive on basic technological factors: cement quality, water-cement ratio value, concrete composition and concrete mixture consistency, curing environment temperature and heat-insulating characteristics of shuttering blocks have been evaluated in the paper. Such approach has made it possible to substantiate rational modes and parameters of conditions for concrete curing with the UKD-1 additive in order to ensure strength (under compression) in the 50-100 % range of the required value at the project age of 28 days without energy consumption for acceleration of its curing.
Keywords: concrete, curing kinetics, UKD-1-nanocarbon additive, non warm-up technology
For citation: Marko O. Yu., Batyanovsky E. I. (2016) Curing Kinetics of Concrete with UKD-1-Nanocarbon Additive in Version of Non Warm-Up Technology. Science & Technique. 15 (4), 271-280 (in Russian)
Адрес для переписки
Батяновский Эдуард Иванович Белорусский национальный технический просп. Независимости, 150, 220013, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 265-95-87 [email protected]
Address for correspondence
Batyanovsky Eduard I.
Belarusian National Technical University
150 Nezavisimosty Ave.,
220013, Minsk, Republic of Belarus
Tel.: +375 17 265-95-87
Наука
иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)
Введение
Технологию бетонирования, при которой бетон конструкций твердеет без подвода теплоты от искусственных внешних источников, принято называть беспрогревной [1-3]. Естественно, что она характеризуется минимальными затратами энергии, но одновременно и относительно невысоким темпом роста прочности бетона. А это сопровождается увеличением периода оборота опалубок и сроков строительства из монолитного бетона и увеличением технологического цикла изготовления сборных изделий. В статье приведены результаты исследований, предлагающих решение задачи по ускорению темпа роста прочности бетона в беспрогревном варианте технологии монолитного бетонирования и при изготовлении сборных изделий за счет введения в его состав комплексной добавки УКД-1. Повышенная эффективность этой добавки обеспечивается тем, что на стадии приготовления бетона она позволяет снизить на 15-25 % начальное водосодержа-ние (за счет пластифицирующего компонента), а на стадии твердения бетона - ускорить гидро-лизно-гидратационные процессы в цементном тесте за счет совместного действия химической добавки - сульфата натрия и введенного в состав комплекса углеродного наноматериа-ла (УНМ). Кроме того, структурированный УНМ (в виде ультрадисперсных частиц, а также моно- и многослойных трубок (волокон)) проявляет эффект нано-, микроармирования структуры затвердевшего цементного камня в бетоне, что обеспечивает рост его прочности на осевое растяжение и сжатие до 25 % и 15-20 % соответственно [4-6]. Под влиянием комплекса УКД-1, как будет показано далее, эффективность возрастает и соответствует приросту прочности бетона на сжатие в проектном (28 сут.) возрасте до 30 %, а за 24-48 ч твердения - в 1,5-2 раза, что и составляет основу эффективной беспрогревной технологии монолитного бетонирования (либо изготовления сборных изделий) с применением этой добавки.
Общая методика экспериментальных
исследований
На начальном этапе исследований по кинетике твердения (росту прочности на сжатие) бетона определили оптимальную дози-
ровку добавки УКД-1 в бетон по методике ГОСТ 30459-96 [7] на контрольном составе бетона: цемента (М500 Д0; ОАО «Красносельск-стройматериалы») Ц = 350 кг; щебня (гранитного по ГОСТ 8267-93: фракции 5-20 мм;
рЩ ~ 1440 кг/м3; рЩ ~ 2700 кг/м3) Щ = 1100 кг;
природного песка (по ГОСТ 8736-93: р^ ~
~ 1550 кг/м3; рп ~ 2650 кг/м3; Мк ~ 2,45) П = 750 кг; воды В = 175 кг; подвижность смеси ОК ~ 3-4 при твердении образцов размерами 100x100x100 мм в нормально-влажност-ных (ф > 90 %; t ~ 20 оС) условиях. Для сравнения оценивали кинетику твердения бетона без добавок, с добавкой ускорителя твердения сульфата натрия (СН) и с исследуемой добавкой УКД-1 в разных дозировках относительно массы цемента.
Затем исследовали режимы твердения бетона по беспрогревной технологии при изменении температуры окружающей среды от 5 до 30 °С. При этом образцы бетона твердели в формах, имитирующих опалубки различных типов (табл. 1), с существенным различием коэффициентов теплопередачи Кт = 0,6-3,5 Вт/(м2-°С) при скорости ветра ув = 0. В данных экспериментах и далее использовали составы бетона, наиболее широко применяемых классов по прочности С12Л5-С32/40, приведенные в табл. 2.
Таблица 1
Характеристики форм-опалубок Characteristics of shuttering blocks
Материал формы-опалубки и крышки Кт (расчетный) стенок формы (крышки), Вт/(м2-°С), при = 0
1. Доска, 25 мм 2,44
2. Металл (сталь), 10 мм 3,50
3. Металл (10 мм) + минера-ловатная плита (60 мм) ~1,00
4. Фанера (12 мм) + минера-ловатная плита (60 мм) ~2,98; ~0,60*
* С утеплением.
Составы бетона с добавкой ускорителя твердения СН приняты для оценки (сравнения) эффективности исследуемой добавки УКД-1. Известно, что монодобавка СН в дозировке 1 % от массы цемента (далее - МЦ) может обеспечить реализацию весьма эффективных (со сниженными по затратам энергии) технологий
Наука
итехника. Т. 15, № 4 (2016)
изготовления сборных изделий [1-3, 8], а сопоставление (при прочих равных условиях) результатов экспериментов позволит выявить уровень эффективности добавки УКД-1.
Таблица 2
Составы бетона для исследований Concrete compositions for investigations
Номер состава бетона Класс бетона Подвижность бетонной смеси (ОК), см Марка цемента Расход составляющих, кг/1 м3 бетона В/Ц бетона Относительное водосодержание цементного теста (Х), доли ед.
Ц П Щ В
А. Состав без добавок
1 С12/!5 12-14 М400 380 685 1100 201 0,53 1,60
2 С25/30 12-14 М500 465 590 1090 208 0,45 1,42
Б. Состав с добавкой 1 % СН
3 С12/!5 12-14 М400 360 720 1100 182 0,50 1,44
4 С25/30 12-14 М500 442 625 1100 195 0,44 1,38
В. Состав с комплексной добавкой 1 % УКД-1
5 С12/!5 12-14 М400 340 715 1150 163 0,48 1,32
6 С12/!5 21-23 М400 405 720 1065 180 0,44 1,27
7 С25/30 12-14 М500 345 725 1175 146 0,42 1,20
8 С25/ С '30 21-23 М500 420 720 1065 175 0,41 1,26
9 С32/ С '40 12-14 М500 400 695 1150 156 0,39 1,12
В процессе исследований периодически испытывали образцы бетона на прочность (сжатие). Эти результаты отражали кинетику ее роста в условиях, характеризовавшихся различной температурой окружающей среды и коэффициентом теплопередачи опалубки. Одновременно оценивали различные условия для накопления (аккумуляции) теплоты экзотермии цемента и обусловленного этим уровня температуры саморазогрева бетона, что фиксировали с помощью датчиков-термопар, установленных в геометрический центр бетонных образцов размерами 150x150x150 мм. Выявленные закономерности саморазогрева бетона и влияния его на кинетику роста прочности бетона с добавкой УКД-1 позволили в последующем сформулировать рекомендации по назначению режимов его естественного твердения (беспро-гревная технология) в зависимости от качества
Наука
иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)
цемента, температуры окружающей среды, начальной температуры свежеуложенного бетона и теплоизолирующих качеств опалубки.
Кинетика роста прочности бетона с добавкой при твердении в нормально-влажностных условиях
Результаты экспериментов, отражающие зависимость кинетики роста прочности бетона из равноподвижных смесей (ОК ~ 3-4 см) с различным количеством добавки УКД-1 и рекомендуемым для железобетона расходом наиболее широко применяемого в отрасли ускорителя твердения (1 % Na2SO4 от массы цемента, взятом для сравнения с [1, 3, 9]), приведены в табл. 3. Даны средние значения относительной (в % от проектной (28 сут.) прочности бетона без добавок) прочности в серии (не менее трех образцов), приведенной с поправочным масштабным коэффициентом 0,95 по ГОСТ 10180-2012 [10]; внутрисерийный коэффициент вариации не превышал 7-8 %.
Таблица 3
Влияние добавки УКД-1 на кинетику твердения бетона в нормально-влажностных условиях
Influence of UKD-1-additive on concrete curing kinetics under normal moisture conditions
Вид и количество добавки, % от МЦ Прочность бетона, % от проектной, в возрасте, сут. Прочность на сжатие в возрасте 28 сут.
1 2 3 4 7 МПа %
Без добавок 26 43 53,0 60 71,0 38,5 100
СН; 1,00 42 66 78,0 82 91,0 40,8 106
«УКД-1»; 0,50 42 67 79,5 84 93,0 43,1 112
«УКД-1»; 0,75 44 71 83,0 91 100,5 45,4 118
«УКД-1»; 1,00 48 77 92,0 100 110,0 48,5 126
«УКД-1»; 1,50 49 78 94,0 104 111,0 49,7 129
«УКД-1»; 2,00 50 80 95,0 106 113,0 50,0 130
«УКД-1»; 1,00* 28 46 58,0 63 76,0 40,8 106
«УКД-1»; 1,50* 26 44 55,0 61 73,0 39,7 103
* Составы без уменьшения расхода воды; бетонная смесь характеризовалась подвижностью ОК10 ~ 16-18 см и ОК15 ~ 23-25 см соответственно.
Из данных табл. 3 следует, что по критерию рост прочности - расход добавки наиболее рациональна дозировка добавки УКД-1, равная ~1 % от массы цемента. Так, если увеличение относительной прочности бетона с ростом ее дозировки от 0,5 до 1,0 % в начальные сроки (1-3-и сут.) составило: (48 - 42) : 42 ■ 100 ~ 14,3 %
и (92 - 79,5) : 79,5 ~ 15,7 %, а к 28-м сут. -(128 - 112) : 112 • 100 ~ 12,5 %, то с увеличением дозировки от 1,0 до 2,0 % выявлен рост прочности в 1-3-и сут. твердения: (50 - 48) : 48 • 100 ~ ~ 4,2 %; (106 - 100) : 100 • 100 ~ 6 %, а к проектному возрасту: (130 - 126) : 126 • 100 ~ 3,2 %. На этом основании в последующих исследованиях использовали добавку УКД-1 в дозировке 1 % от МЦ.
Анализ всей совокупности результатов экспериментов (табл. 3, рис. 1) показывает преимущество комплексной добавки УКД-1 в сравнении с монодобавкой ускорителя твердения СН. Одновременно следует отметить, что, несмотря на снижение водосодержания бетона в равноподвижных смесях при введении добавки УКД-1 в дозировке 0,50-0,75 % от МЦ, его прочность в начальные сроки (1-2 сут.) твердения незначительно (на 2-5 %) превышала прочность с 1 % Ка2804. Очевидно, что этот эффект связан с замедляющим реакции цемента с водой действием пластифицирующего компонента УКД-1. Однако в целом уровень прочности образцов бетона с добавкой УКД-1 оказался выше, чем образцов с 1 % Ка2804, несмотря на то что ускоряющего компонента (того же Ка2804) в УКД-1 при ее дозировке 0,5-1,0 % от МЦ заведомо меньше (0,375-0,700 % от массы вещества добавки УКД-1). Отсюда следует вывод о дополнительном эффекте ускорения твердения (роста прочности) цементного бетона «присадкой» структурированного углеродного наноматериала, содержащегося в добавке УКД-1 и установленного в исследованиях [4, 6, 11].
Рис. 1. Тенденция кинетики твердения бетона
в нормально-влажностных условиях: № 1 - бетон без добавок; № 2 - с 1 % Na2SO4; № 3 - с 1 % УКД-1
Fig. 1. Tendencies in concrete curing kinetics under normal moisture conditions: No 1 - concrete without additives; No 2 - with 1 % of Na2SO4; No 3 - with 1 % of UKD-1
По результатам экспериментов, к проектному возрасту (28 сут.) прочность бетона с добавкой УКД-1 составила от 112 % (0,5 % УКД-1) до 130 % (2,0 % УКД-1 ) относительно прочности образцов бетона из равноподвижных смесей без добавок. При этом за 24-48 ч твердения превышение составило ~1,9 раза, а уровень прочности бетона от проектной, достигающей порядка 50 % (через 24 ч) и 70-80 % (через 48 ч), обеспечивает бездефектную распалубку конструкций с ненапрягаемой арматурой в пределах суток, а с напрягаемой - через 48 ч твердения в нормальных температурно-влажностных условиях.
Одновременно выявлено, что введение добавки УКД-1 с целью пластификации бетона (составы со звездочкой в табл. 3; подвижность бетонной смеси ОК1,0 ~ 16-18 см и ОК1,5 ~ 23-25 см (литая смесь)) замедлило темп роста его прочности в сравнении с бетоном с этой добавкой подвижностью 3-4 см. Вместе с тем по сравнению с бетоном без добавок аналогичного состава темп роста прочности пластифицированного бетона не только не изменился, но и характеризуется (3-6)%-м приростом прочности с 1,0-1,5 % УКД-1 в проектном (28 сут.) возрасте.
Кинетика твердения бетона
в условиях «термоса»
Основная задача настоящего этапа исследований - установление зависимости кинетики роста прочности бетона с добавкой УКД-1 от его саморазогрева за счет аккумуляции теплоты экзотермии цемента. Известно, что в процессе реакции с водой затворения минералов порт-ландцементного клинкера выделяется значительное количество теплоты. Ее аккумуляция (путем гидро-, теплоизоляции твердеющего бетона) способствует росту его температуры, что в свою очередь интенсифицирует реакции цемента с водой и тем самым повышает его тепловыделение в 1-3-и сут. твердения, а в результате - повышает темп роста прочности бетона. Этот эффект возрастает с введением в реагирующую систему цемент - вода добавок, ускоряющих твердение бетона [1, 12-15]. Таким образом, для реализации эффективной бес-прогревной технологии цементного бетона необходимо максимально возможное использование экзотермии вяжущего, что может быть
Наука
итехника. Т. 15, № 4 (2016)
достигнуто при твердении бетона по методу термоса.
На начальном этапе экспериментов установили кинетику роста прочности бетона с 1 % от МЦ добавки УКД-1 и изменение его температуры в процессе твердения в условиях гидро-и теплоизоляции. Для этого поверхность форм герметизировали полиэтиленовой пленкой и устанавливали в пенополистирольный ящик на период твердения. В геометрический центр одного из средних (в трехгнездных формах) образцов устанавливали датчик-термопару для контроля над изменениями температуры. Начальную температуру бетона приняли в диапазонах 5-8; 12-15 и 18-22 °С, как наиболее характерных для весенне-летне-осеннего периода ведения работ в Беларуси. В качестве примера использовали составы бетона класса С /15 (ОК ~ 12-14 см) № 1 (без добавки) и № 3 (1 % УКД-1). Периодически контролируя изменения температуры и прочность твердеющего бетона, получили данные, приведенные в табл. 4.
Таблица 4
Кинетика изменения температуры и прочности бетона при твердении в условиях термоса
Kinetics in temperature change and concrete strength in case of curing under thermos conditions
Из результатов эксперимента следует, что сведение к минимуму потерь теплоты экзотер-мии цемента позволяет даже при низкой положительной начальной температуре бетонной смеси создать в твердеющем бетоне с добавкой благоприятный температурный режим, а при начальной температуре смеси не ниже 13-15 °С обеспечить температуру в бетоне более 20 °С, т. е. фактически нормальный режим твердения.
Интенсификация процесса гидратации цемента добавкой УКД-1 повышает его тепловыделение, а аккумуляция теплоты обеспечивает саморазогрев бетона (увеличение температуры от начальной на 15-20 °С в первые 2-3 сут. твердения при использовании цемента II и I групп эффективности соответственно). Применение вяжущего III группы эффективности сопровождается низким тепловыделением и соответственно незначительным разогревом бетона и темпом роста его прочности. Фактически использование цемента III группы эффективности противоречит цели разработки и нецелесообразно для беспрогревной технологии.
Из полученных экспериментальных данных о кинетике роста прочности бетона с добавкой 1 % УКД-1 следует, что ее уровень >50 % от прочности проектного возраста (обеспечивающий условия бездефектной распалубки монолитных конструкций и сборных изделий с ненапрягаемой арматурой) достигается через 24 ч естественного твердения в условиях гидро-, теплоизоляции при использовании цемента I и II групп эффективности при пропари-вании; прочность бетона >70 % в тех же условиях твердения достигается к 40-48 ч. Для бетона, приготовленного на вяжущем III группы эффективности, время твердения до /ст > 50 % и /ст > 70 % от /ст28 составляет не менее двух, трех и четырех суток соответственно.
Очевидно, что для реализации эффективной беспрогревной технологии предпочтительны цементы I группы эффективности с допущением к применению цементов II группы эффективности.
Кинетика твердения бетона в диапазоне температур 5-30 °С в зависимости от теплозащитных свойств(вида)опалубки
Исследования с целью разработки режимов твердения бетона с добавкой 1 % УКД-1 без
Порядковый номер состава по табл. 2 Группа эффективности цемента М400 Температура бетона, оС, к исходу суток Прочность бетона, % от fcm,28, через сутки
0* 1 2 3 1 2 3
А. Состав без добавок
1 I 20 25 30 33 37 58 64
1 II 20 23 28 30 35 55 62
1 III 20 23 25 28 29 51 56
Б. Состав с добавкой УКД-1
3 I 6 9 17 24 32 50 65
3 I 13 18 28 33 41 58 74
3 I 20 28 37 42 54 79 96
3 II 6 8 14 21 27 46 63
3 II 13 15 25 29 36 51 70
3 II 20 25 33 38 51 74 89
3 III 6 8 12 16 21 44 53
3 III 13 15 22 24 32 52 62
3 III 20 21 28 31 35 56 72
* Начальная температура свежеотформованного бетона.
Наука
иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)
подвода теплоты в диапазоне температур среды твердения 5-30 °С (начальная температура бетонной смеси равнялась 5-20 °С) для ведения бетонных работ монолитным способом выполнены с учетом ранее полученных данных. Формы, в которых твердел бетон, имитировали опалубку разных типов с характеристиками, приведенными в табл. 1. В экспериментах использовали цемент ОАО «Красносельскстрой-материалы» марок М400 и М500 II группы эффективности при пропаривании; остальные материалы - в соответствии с ранее приведенными характеристиками.
Образцы бетона (размерами 150x150x150 мм) изготавливали в формах с укладкой вибрированием со стандартными параметрами (амплитуда А ~ 0,5 мм; частота ~50 Гц) в течение 5-10 с (для подвижности смеси марки П3) и штыкованием с постукиванием формы о жесткое основание (литая смесь марки П5). После формования поверхность укрывали полиэтиленовой пленкой и крышкой, материал которой (а при термостатировании бетона и материал теплоизоляции) соответствовал материалу (теплоизоляции) стенок формы-опалубки. Данные экспериментальных исследований кинетики твердения бетона по росту его прочности на сжатие (внутрисерийный коэффициент вариации Ут = 10 %), выраженной в процентах от принятого за 100 % уровня прочности бетона аналогичных составов без добавок в проектном возрасте (28 сут.) представлены в табл. 5, а тенденция роста прочности отражена графиками на рис. 2. Результаты с индексом «*» получены при твердении бетона в утепленных минеральной ватой (толщина ~60 мм) металлических и фанерных формах.
Из результатов экспериментов следует, что использование добавки УКД-1 обеспечивает стабильный рост прочности бетона в сравнении с равноподвижным бетоном без добавки (составы № 1 и 2; классы С12/15 и С25/30) при всех вариантах материала палубы опалубки (металл, деревянная доска, фанера), а также с утеплением (термоизоляцией) опалубки или без него для оцениваемого диапазона температуры окружающей среды 5-30 °С. Так, повышение темпа роста прочности в 1-7 сут. составило примерно 1,5-2 раза за счет эффектов сни-
жения водосодержания в бетоне и ускоряющего действия СН и УНМ. Следует отметить, что при этом начальная температура смеси соответствовала условию tсм « tнв (температура наружного воздуха, т. е. среды твердения), т. е. была примерно равной 6 °С для tнв ~ 5-8 °С; 13 °С - для ^ ~ 12-15 °С и ^ ~ 18 °С - при ~ 18-22 °С, а также для ~ 25-30 °С.
Таблица 5
Кинетика роста прочности бетона Kinetics in growth of concrete strength
Температура среды Характеристика бетона Наличие и вид добавки Прочность бетона, % от /СТ28, в возрасте, сут.
твердения, °С Состав по табл. 2 Класс 1 2 3 4 7
1 2 3 4 5 6 7 8 9
А. Твердение в металлических формах*
1 С% - 10 19 27 36 44
2 С25/зо - 12 22 30 38 45
5 С% УКД-1 24 38 49 59 74
5-8** 6 С% УКД-1 25 37 50 60 72
7 С25/ С '30 УКД-1 26 36 52 61 72
8 С25/ С '30 УКД-1 25 37 52 62 74
7* С25/зо УКД-1 25 46 58 73 84
1 С% - 16 25 37 48 55
2 С25/30 - 17 27 38 51 57
5 С% УКД-1 29 44 59 70 75
12-15** 6 С% УКД-1 30 43 59 72 76
7 Г25/ С '30 УКД-1 30 44 60 71 77
8 Г25/ С /30 УКД-1 28 45 59 72 75
7* С25/30 УКД-1 36 51 70 79 93
1 Г% - 22 40 50 60 70
2 С25/30 - 25 45 53 61 72
5 Г% УКД-1 34 62 76 83 93
18-22** 6 Г% УКД-1 33 62 75 83 90
7 Г /30 УКД-1 35 64 75 86 93
8 Г /30 УКД-1 36 65 76 85 91
7* С25/30 УКД-1 52 71 85 94 102
1 Г% - 30 50 72 80 86
2 С25/30 - 34 53 72 81 90
5 Г% УКД-1 52 76 85 95 102
25-30 6 Г% УКД-1 50 76 87 94 103
7 Г25/ Г /30 УКД-1 53 77 87 96 103
8 Г25/ Г /30 УКД-1 52 75 86 96 102
7* Г25/ Г /30 УКД-1 58 83 96 101 106
Наука
итехника. Т. 15, № 4 (2016)
Окончание табл. 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Б. Твердение в фанерных формах*
5-8 1 С% - 16 27 37 46 56
2 С25/30 - 17 28 38 51 58
5 С% УКД-1 29 44 59 70 75
6 С% УКД-1 30 44 60 71 76
7 С25/ С '30 УКД-1 31 45 62 72 77
8 С25/30 УКД-1 28 45 61 72 75
5* С% УКД-1 38 52 69 77 92
7* С25/30 УКД-1 38 55 70 79 93
12-15 1 С% - 23 41 52 61 70
2 С25/30 - 24 43 53 62 72
5 С% УКД-1 34 68 76 84 92
6 С% УКД-1 33 62 75 83 90
7 г25/ С /30 УКД-1 35 63 75 86 93
8 С25/30 УКД-1 36 65 76 85 91
5* С% УКД-1 41 71 80 91 97
7* С25/30 УКД-1 42 70 82 93 99
18-22 1 С% - 32 50 71 82 87
2 С25/30 - 34 53 72 81 90
5 С% УКД-1 45 75 85 95 102
6 С% УКД-1 47 74 87 96 103
7 С /30 УКД-1 48 74 86 96 103
8 С25/30 УКД-1 47 73 86 95 102
5* С% УКД-1 52 81 93 99 101
7* С25/30 УКД-1 57 82 94 100 103
25-30 1 С% - 41 60 79 87 95
2 С25/30 - 42 63 80 90 96
5 С% УКД-1 53 82 95 100 105
6 С% УКД-1 51 80 96 100 104
7 С /30 УКД-1 54 82 96 101 106
8 С25/30 УКД-1 51 80 97 103 105
5* С% УКД-1 53 82 95 100 104
7* С25/30 УКД-1 56 86 99 103 106
* С утеплением. Для указанных диапазонов начальная температура бетонной смеси соответствовала этим значениям; для Гср ~ 25-30 оС температура смеси соответствовала ~20 оС.
Анализируя влияние консистенции (подвижности) бетонной смеси на темп твердения бетона, приготовленного из смесей различной подвижности, приходим к выводу, что в пределах выполненных экспериментов явно выраженная взаимосвязь этих факторов отсутствует. Например, при сравнении кинетики роста прочности бетона составов № 5 и 6, а также № 7 и 8 (табл. 2), которые характеризуются подвижностью смеси марок П3 и П5 соответственно, ста-
Наука
иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)
новится очевидным примерно равнозначный прирост прочности бетона при прочих равных условиях (температура среды, материал форм, степень теплоизолированности форм). Эти данные в некоторой мере противоречат известной из традиционной технологии бетона тенденции - снижения темпа роста его прочности с ростом подвижности смеси.
f о
Уст
110
ш %
28 ' 70 90
70 50 30 10
__—
_ _
W
Го 4
0
1
2
3
4
5
сут.
7
Рис. 2. Тенденция роста прочности бетона (класс С25/30)
с добавкой 1 % УКД-1 в металлических теплоизолированных формах; № 1-4 - для температуры среды Гнв = 5-8; 12-15; 18-22 и 25-30 °С соответственно
Fig. 2. Tendency in growth of concrete strength (dass С25/30) with 1 % UDK-1 additive in metallic heat-insulated blocks; Nos. 1-4 - for environment temperature fm = 5-8; 12-15; 18-22 and 25-30 оС respectively
Это можно объяснить следующим. В проведенных экспериментах сохранение практически постоянным темпа роста прочности бетона при увеличении пластичности смеси обусловлено тем, что повышение последней достигнуто за счет эффекта пластификации комплексной добавки при рациональной корректировке состава бетона. В результате более пластичная смесь (составы № 6 и 8) характеризуется величиной (В/Ц)бет и относительного водосодержания (Х) даже несколько ниже начальной (составы № 5 и 7), что и обеспечивает необходимые условия для сохранения кинетики роста прочности бетона на равнозначном уровне в сравнении с бетоном из смеси меньшей подвижности.
Влияние материала форм (опалубки) на кинетику роста прочности бетона непосредственно связано с их теплоизолирующими свойствами и влиянием на температурный режим его твердения, т. е. с обеспечением условий для аккумуляции теплоты экзотермии цемента и повышения температуры бетона в процессе твердения. Анализируемые результаты (табл. 4) получены для бетона на цементе II группы эф-
фективности при пропаривании, степень саморазогрева которого оценивается приростом температуры бетона с добавкой (от начальной температуры смеси) на ~15 °С при твердении в условиях «термоса».
Сравнительный анализ тенденций роста прочности бетона, отраженных графическими зависимостями на рис. 2, построенными по данным разделов А (металлические формы) и Б (формы из фанеры) табл. 5, при прочих равных условиях показывает следующую закономерность. Чем ниже температура среды твердения, тем более эффективно использование опалубки с меньшим коэффициентом теплопроводности, в частности с деревянной палубой, в сравнении с металлической либо металлической, но с утеплением. В металлической палубе минимален эффект накопления теплоты экзотермии цемента, так как ее коэффициент теплопередачи на ~40 % превышает таковой для фанерной палубы (табл. 5).
Вместе с тем с повышением температуры среды твердения до 25-30 °С кинетика роста прочности бетона и в металлических, и в фанерных формах без утепления в первые 24 ч начинает сближаться и через 48 ч становится почти равнозначной. Это связано с изменением условий теплообмена в системе форма - внешняя среда и со снижением потерь теплоты внешним контуром форм с ростом до ~30 °С. Данная тенденция в общих чертах сохраняется при использовании термоизолированных форм-опалубок; при этом - с большим эффектом от применения опалубки с «теплой» палубой из фанеры в сравнении с металлической палубой.
В целом эффективность опалубок по критерию влияния на темп роста прочности бетона, твердеющего в естественных условиях (беспро-гревная технология), связана обратной зависимостью со значением коэффициента их теплопередачи. По экспериментальным данным, в диапазоне температур среды твердения 5-30 °С они по этому показателю располагаются в ряд: утепленная опалубка с палубой из фанеры или дерева, утепленная металлическая, деревянная или из фанеры, металлическая, т. е. в соответствии с ростом Кт ~ 0,6-3,5 Вт/(м2-°С) для указанных разновидностей опалубки.
Оценивая эффективность применения термоизолированных опалубок для обеспечения беспрогревной технологии монолитного бетонирования по анализируемым экспериментальным данным, приходим к выводу, что в сочетании с использованием добавки УКД-1 они создают необходимые условия для обеспечения прочности бетона в 50 % от проектной за 48-60 ч твердения при температуре среды 5-8 °С, за 24-48 ч - при ^ ~ 12-15 °С, за 24 ч -при ~ 20-30 °С. Прочность бетона >70 % от проектной в аналогичных условиях обеспечивается за 3-4, 2-3, 2 сут. соответственно. Меньшие значения времени твердения относятся к опалубке с фанерной (деревянной) палубой (Кт ~ 0,6 Вт/(м2-°С) при скорости ветра 0. Приведенные значения прочности бетона обеспечивают бездефектную распалубку вертикальных и наклонных конструкций (>50 %), а также изгибаемых и с преднапряжением арматуры (>70 %). Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что утепленные опалубки рекомендуются к использованию и в летний период работ, так как обеспечивают наиболее благоприятный температурный режим твердения бетона за счет аккумуляции (накопления) теплоты экзотермии цемента в его объеме.
ВЫВОДЫ
1. Установлена рациональная дозировка в бетон добавки УКД-1, которая обеспечивает рост подвижности бетонной смеси от марки П1 до марки П4, а при снижении водосо-держания бетона и соблюдении условия рав-ноподвижности смеси (марка П1) рост его прочности в проектном возрасте до 25 %, составляющая ~1,0 % от массы цемента при рекомендуемых по действующим техническим условиям пределах дозирования этой добавки (0,5-1,5) % от МЦ.
2. Экспериментально установлено, что в нормальных условиях твердения прочность бетона с 1 % УКД-1 в сравнении с бетоном без добавок из равноподвижных смесей марки П1 составляет в 1-е сут. 45-50 % от проектной (~25 % без добавок), достигает 70-80 % через 2 сут. и >90 % - через 3 сут. (без добавок ~45 % и 55 % соответственно), чем обеспе-
Наука
итехника. Т. 15, № 4 (2016)
чиваются необходимые и достаточные предпосылки для реализации эффективной беспро-гревной технологии монолитного бетонирования и изготовления сборных изделий.
3. Экспериментально выявлены закономерности изменения температуры и прочности бетона с добавкой 1 % УКД-1 и без нее, твердеющего в условиях теплоизоляции (условиях «термоса») в течение 1-3 сут. (т. е. накапливая теплоту экзотермии вяжущего) при начальной температуре смеси 6, 13 и 20 °С и цементах I, II и III групп эффективности. Зафиксирован уровень саморазогрева бетона без добавок на 8-13 °С сверх начальной температуры смеси (большее значение для цемента I группы эффективности), а также с 1 % УКД-1 (на цементе I группы) - на 18-22 °С сверх начальной температуры
смеси (большее значение - для ¿б™ ~ 20 °С), что обеспечивает уровень температуры твердеющего бетона до 30-40 °С и высокий темп роста его прочности без дополнительного подвода теплоты от внешних источников.
4. Экспериментально исследована кинетика роста прочности бетонов (на примере классов С /15-С /40) при подвижности марок П3 и П5 на цементе II группы эффективности, т. е. наиболее широко применяемых в общестроительном производстве) в диапазоне температур бетонной смеси 5-20 °С и наружного воздуха 5-30 °С (соответствующем условиям ведения работ в весенне-летне-осенний период в Беларуси), при твердении образцов в различных видах форм (опалубки), характеризующихся разными коэффициентами теплопередачи: Кт ~ 0,6-3,5 Вт/(м2-°С), что соответствует применяемым в строительстве типажам опалубок. Определены режимы твердения бетона с добавкой УКД-1 без подвода теплоты от внешних источников (по беспрогревной технологии), обеспечивающие достижение прочности бетона в диапазоне 50-100 % от прочности проектного (28 сут.) возраста с учетом конкретных условий ведения работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Батяновский, Э. И. Технологические особенности производства ЖБК с применением ускорителей твердения бетона / Э. И. Батяновский, Р. Ф. Осос // Проблемы технологии производства строительных материалов, изделий и конструкций, строительство зданий и со-
Наука
иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)
оружений: сб. ст.; под ред. Н. П. Блещика, Э. И. Батя-новского. Брест: БрПИ, 1998. Вып. 1. С. 22-25.
2. Парфенова, Л. М. Перспективы применения химических добавок в малоэнергоемких технологиях возведения бетонных и железобетонных конструкций / Л. М. Парфенова // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров в Республике Беларусь: материалы VI Между-нар. науч.-техн. семинара, Минск, 17-20 окт. 2000 г.; под ред. Н. П. Блещика, А. А. Борисевича, Т. М. Пе-цольда. Минск: Технопринт, 2000. С. 84-88.
3. Батяновский, Э. И. Эффективность и проблемы энергосберегающих технологий цементного бетона / Э. И. Ба-тяновский, Е. И. Иванова, Р. Ф. Осос // Строительная наука и техника. 2006. № 3. С. 7-17.
4. Батяновский, Э. И. Влияние углеродных наноматериалов на свойства цемента / Э. И. Батяновский, П. В. Рябчиков, В. Д. Якимович // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: XVI Междунар. науч.-метод. семинар; под общ. ред. П. С. Пойты, В. В. Тура. Брест: БрГТУ, 2009. Ч. 2. С. 136.
5. Влияние углеродных наноматериалов на свойства цемента и цементного камня / Э. И. Батяновский [и др.] // Строительная наука и техника. 2010. № 1-2. С. 3-10.
6. Батяновский, Э. И. Особенности технологии высокопрочного бетона на отечественных материалах, включая наноуглеродные добавки / Э. И. Батяновский, В. Д. Якимович, П. В. Рябчиков // Проблемы современного бетона и железобетона: сб. материалов III Междунар. симпозиума. Минск: РУП «БелНИИС», 2011. Т. 2. С. 53-68.
7. Добавки для бетонов. Методы определения эффективности: ГОСТ 30459-96. Введ. 01.07.98. Минск: Минск-типпроект, 1998. 40 с.
8. Марцинкевич, В. Л. Энергосберегающие технологии производства бетона / В. Л. Марцинкевич, А. С. Ды-дышко. Минск, 2006. 283 с.
9. Применение добавок в бетоне: П1-99 к СНиП 3.09.01-85. Введ. 01.07.2000. Минск: Минстройархитектуры, 2000. 33 с.
10. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам: ГОСТ 10180-2012. Взамен ГОСТ 10180-90; введ. 01.07.2013. М.: Стандартинформ, 2013. 38 с.
11. Батяновский, Э. И. Особенности применения углеродных наноматериалов в конструкционно-теплоизоляционных пенобетонах / Э. И. Батяновский, Г. С. Галузо, М. М. Мордич // Наука - образованию, производству, экономике: сб. материалов Девятой Междунар. науч.-техн. конф. Минск: БНТУ, 2011. Т. 2. С. 272-273.
12. Запорожец, И. Д. Тепловыделение бетона / И. Д. Запорожец, С. Д. Окороков, А. А. Парийский. Л.: Строй-издат, 1966. 316 с.
13. Тейлор, К. Химия цемента / К. Тейлор; пер. с англ. М.: МИР, 1986. С. 174-276; 300-319; 418-429.
14. Протько, Н. С. Беспрогревная и малоэнергоемкая технология производства бетонных и железобетонных изделий с применением полиметаллического водного концентрата / Н. С. Протько. Минск: Белор. гос. политехи. академия, 2001. 20 с.
15. Бабицкий, В. В. Структура и коррозионная стойкость бетона и железобетона / В. В. Бабицкий. Минск, 2005. Г. 29-89; 167-178.
Поступила 14.03.2016 Подписана в печать 16.05.2016 Опубликована онлайн 28.07.2016
REFERENCES
1. Batyanovsky E. I., Osos R. F. (1998) Technological Peculiarities in Production of Reinforced Concrete Structures While Applying Concrete Rapid Hardener. Problemy Tekhnologii Proizvodstva Stroitelnykh Materialov, Izdelii i Konstruktsii, Stroitelstvo Zdanii i Sooruzhenii. Sbornik Statei [Problems in Technology of Production of Construction Materials, Products and Structures. Collection оf Papers]. Brest: Brest Polytechnical Institute, 1, 22-25 (in Russian).
2. Parfionova L. M. (2000) Prospects for Application оf Chemical Admixtures in Low-Energy Consuming Technologies for Concrete and Reinforced Concrete Structural Construction Perspektivy Razvitiia Novykh Tekhnologii v Stroitelstve i Podgotovke Inzhenernykh Kadrov v Respu-blike Belarus. Materialy VI Mezhdunar. Nauch.-Tekhn. Seminara [Prospects for Development of New Technologies in Construction and Training of Engineering Personnel in the Republic of Belarus. Proceedings of 6th International Scientific and Technical Workshop]. Minsk, Tekh-noprint, 84-88 (in Russian).
3. Batyanovsky E. I., Ivanova E. I., Osos R. F. (2006) Efficiency and Problems of Energy-Saving Technologies for Cement Concrete. Stroitelnaya Nauka i Tekhnika [Construction Science and Technology], (3), 7-17 (in Russian).
4. Batyanovsky E. I., Ryabchikov P. V., Yakimovich V. D. (2009) Influence of Carbonic Nano-Materials on Cement Properties. Perspektivy Razvitiia Novykh Tekhnologii v Stroitelstve i Podgotovke Inzhenernykh kadrov Respubliki Belarus: XVIMezhdunar. Nauch.-Metod. Seminar. Chast 2 [Prospects for the Development of New Technologies in the Construction and Preparation of the Engineering Staff of the Republic of Belarus. 16th International Scientific and Methodological Workshop. Part 2]. Brest: Brest State Technical University, 136 (in Russian).
5. Batyanovsky E. I., Krauklis A. V., Samtsov P. P., Riab-chikov P. V. (2010) Influence of Carbonic Nano-Mate-rials on Cement Properties and Cement Paste. Stroitelnaya Nauka i Tekhnika [Construction Science and Technology], (1-2), 3-10.
6. Batyanovsky E. I., Yakimovich V. D., Ryabchikov P. V. (2011) Peculiarities in Technology of High-Strength Concrete on Local Materials Including Nanj-Carbonic Additives. Problemy Sovremennogo Betona i Zhelezobetona. Sb. mater. III Mezhdunar. Simpoziuma. T. 2 [Problems of Modern Concrete and Reinforced Concrete. Information Package of 3rd International Symposium. Vol. 2.] Minsk, BelNIIS, 53-68 (in Russian).
7. State Standard 30459-96. Concrete Additives. Methods for Efficiency Determination. Minsk, Minsktipproekt, 1998. 40 (in Russian).
8. Martsinkevich V. L., Dydyshko A. S. (2006) Energy-Saving Technologies for Concrete Production. Minsk. 283 (in Russian).
9. ni-99 for SNiP 3.09.01-85. Application of Additives for Concrete. Minsk, Minstroyarkhitektura, 2000. 33 (in Russian).
10. State Standard 10180-2012. Concrete. Methods for Determination of Strength in Accordance with Control Specimen. Moscow, Standartinform, 2013. 38 (in Russian).
11. Batyanovsky E. I., Galuzo G. S., Mordich M. M. (2011) Peculiarities in Application of Carbonic Nano-Materials in Structural and Insulation Foamed Concrete. Nauka -Obrazovaniiu, Proizvodstvu, Ekonomike. Materialy De-viatoi Mezhdunarodnoi Nauchno-Tekhnicheskoi Konfe-rentsii. T. 2 [Science to Education, Industry, Economics. Proceedings of 9th International Science and Technical Conference. Vol. 2]. Minsk: BNTU, 272-273 (in Russian).
12. Zaporozhets I. D., Okorokov S. D., Pariysky A. A. (1966) Heat Liberation of Concrete. Leningrad, Stroyizdat. 316 (in Russian).
13. Taylor H. (1990) Cement Chemistry. 2nd ed. London, Academic Press. 491 (Russ. ed.: Teilor K. (1986) Khimiia Tsementa. Moscow, Mir, 174-276; 300-319; 418-429).
14. Protko N. S. (2001) Non-Heating and Low Energy-Consuming Technology for Production of Concrete and Reinforced Concrete Products with Application of Polymetal-lic Water Concentrate. Minsk: Belarusian State Polytechnical Academy. 20 (in Russian).
15. Babitsky V. V. (2005) Structure and Corrosion Resistance of Concrete and Reinforced Concrete. Minsk, 29-89; 167-178 (in Russian).
Received: 14.03.2016 Accepted: 16.05.2016 Published online: 28.07.2016
Наука
итехника. Т. 15, № 4 (2016)
