Самоуплотняющийся высокопрочный напрягающий бетон для трубобетонных колонн Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.972

И.В. РЕЗВАН, инженер (rezvan.pec@gmail.com),

Ростовский государственный строительный университет (Ростов-на-Дону)

Самоуплотняющийся высокопрочный напрягающий бетон для трубобетонных колонн

Трубобетонные несущие конструкции известны в строительной практике около 90 лет и в настоящее время достаточно широко применяются в качестве колонн в зданиях повышенной этажности. Основным преимуществом центрально-сжатых трубобетонных колонн перед железобетонными аналогами является прирост в несущей способности до 35% вследствие упрочнения бетонного ядра, обжатого оболочкой. Но из-за разницы в коэффициентах Пуассона стали и бетона (на начальных стадиях нагружения коэффициент Пуассона бетона ^=0,2 меньше коэффициента Пуассона стали ^=0,3) и усадки бетона даже в условиях замкнутого пространства трубы возможна ситуация, при которой еще до момента развития интенсивного трещинообразова-ния в бетонном ядре оно работает независимо от стальной оболочки. При этом, во-первых, отсутствует эффект бокового обжатия, а соответственно упрочнения бетонного ядра; во-вторых, невозможно полностью использовать ресурс обжатия стальной оболочки в связи с наличием в ней продольных напряжений. Зачастую лишь до 30% запаса прочности стальной оболочки используется для создания усилий обжатия в бетонном ядре. К тому же существует возможность локальной потери устойчивости стальной оболочкой в случае малой относительно диаметра толщины стенки вблизи перехода в пластическую стадию и возникновения усилий обжатия — в таком случае несущая способность трубобе-тонного элемента резко снижается. Подобное явление отслоения или слабого контакта между ядром и оболочкой до начала интенсивного трещинообразования в бетоне и перехода стали в пластическую стадию известно как дилатационный эффект (рис. 1).

Способы борьбы с дилатационным эффектом в тру-бобетоне предусматривают конструктивные мероприятия с оболочкой, направленные на полное или частичное исключение передачи усилий в продольном направлении либо на создание предварительного распора в ядре механическим или химическим способом (применением напрягающих бетонов). Как наименее трудоза-тратный химический способ представляет определенный интерес. Учитывая специфику бетонирования трубобетонных колонн и условия работы бетона, можно констатировать целесообразность применения высокопрочного самоуплотняющегося бетона с высоким уровнем самонапряжения, получение которого требует высокоэнергоэффективного напрягающего цемента (НЦ), негативное влияние на свойства которого современных поликарбоксилатных гиперпластификаторов будет минимальным.

Для создания соответствующего НЦ и самоуплотняющихся напрягающих бетонов использовались следующие материалы:

а) в качестве портландцементной составляющей — бездобавочный портландцемент завода «Пролетарий», удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178—85. Химический и минералогический состав портландцемента представлен в табл. 1 и 2 соответственно.

б) в качестве сульфатных компонентов расширяющей добавки (РД) применялись молотый гипсовый камень, а также промышленный семиводный сульфат магния;

в) в качестве алюминатного компонента использовался глиноземистый цемент Ыёас-40 производства компании СтБА, Турция. Химический состав глиноземистого цемента приведен в табл. 3;

Таблица 1

Бетон

Сталь

Вид цемента Содержание оксидов, %

БЮ2 Д!20з Ре20з СаО МдО БОз ПО2

ПЦ 500 Д0 завода «Пролетарий» 21,03 4,37 4,16 64,81 0,78 2,8 0,35

Таблица 2

Вид цемента Содержание минералов, %

СзБ С2Б С3Д С4ДР

ПЦ 500 Д0 завода «Пролетарий» 70,74 8,66 4,65 13,01

Таблица 3

Ас1

а

Рис.1. Дилатационный эффект в трубобетоне

Вид Содержание оксидов, %

цемента БЮ2 Д!20З Ре2Оз СаО МдО БОз ПО2

!з1Сас-40, С1тБД, Турция 2,2 40,7 17 38,2 0,8 0,02 2,1

* - приведены средние величины содержания оксидов.

научно-технический и производственный журнал

62 июнь 2012

о.

3 20

Ч

О

-■-ПЦ

-•-НЦ-1,06-21

-»-НЦ-1,06-25

1 Мд-0,9-21

-•-Мд-0,9-25

-•■ Мд-1,1-25

/ -Мд-1'"г5

-ж р • •

III

0 20 40 60 80 100 120

Время с момента затворения т, сут

Рис. 2. Кинетика свободного расширения напрягающего цемента в водных условиях. ПЦ - эталонные образцы из портландцемента; НЦ -образцы из напрягающего цемента В.В. Михайлова (в состав расширяющей добавки входит глиноземистый цемент и молотый гипсовый камень, а так же 2% извести-пушонки); Мд - состав с сульфатом магния в составе РД; 1,06-1,3 - массовое соотношение алюминатного и сульфатного компонентов в составе РД; 21-25 - массовая доля РД в составе напрягающего цемента, %

НЦ-1,06-21

Мд-1,1-25 Состав

Мд-1,3-25

Рис. 4. Влияние процессов расширения и самонапряжения на прочность НЦ. И - прочность на растяжение при изгибе в условиях свободного расширения; И' - прочность на растяжение при изгибе в условиях одноосного ограничения расширения; И" - прочность на растяжение при изгибе в условиях двухосного ограничения расширения; Я - прочность на сжатие при свободном расширении; Я' - прочность на сжатие при расширении в условиях одноосного ограничения; Я'' - прочность на сжатие при расширении в условиях двухосного ограничения. Прочность образцов-балочек 160x40x40 мм измерена в возрасте 110 сут. Прочность эталонных образцов из портландцемента составила на сжатие 80 МПа, на растяжение 14 мПа. Образцы серий НЦ-1,06-25, Мд-0,9-21, Мд-0,9-25 разрушились до достижения возраста 70 сут.

г) в некоторые композиции вводилась известь-пушонка в количестве до 2%;

д) суперпластификаторы: СП1ВП производства ООО «Полипласт», а также МеШих 5581, 01епшш-30 и 01епшш-51 производства Германии.

Свойства вяжущего изучались на образцах из цементно-песчаной смеси 1:1. В качестве заполнителя использовался песок для строительных работ с модулем крупности МК=2,5 и насыпной плотностью 1350 кг/м3, соответствующий ГОСТ 8736—93.

При подборе состава НЦ для обеспечения требуемых значений самонапряжения и прочности [1—3] наряду с классическим составом расширяющей добавки В.В. Михайлова в качестве сульфатного компонента использовался семиводный технический сульфат магния. Применение сульфата магния вызвано необходимостью оптимизации кинетики расширения и самонапряжения

® 5

О 2

20 40 60 80 100 120

Время с момента затворения т, сут

Рис. 3. Кинетика самонапряжения напрягающего цемента в водных условиях. о -самонапряжение при одноосном ограничении развития деформаций расширения; НЦ - образцы из напрягающего цемента В.В. Михайлова; Мд - состав с сульфатом магния в составе РД; 1,06-1,3 - массовое соотношение алюминатного и сульфатного компонентов в составе РД; 21-25 - массовая доля РД в составе напрягающего цемента в процентах от массы напрягающего цемента

высокоэнергоэффективного НЦ в сторону ускорения этих процессов для достижения как минимум 80% проектных величин к возрасту 21 сут. Как известно, в коллоидных системах скорость химической реакции сильно зависит от размера зерен реагирующего вещества, т. е. скорость развития процессов расширения и самонапряжения тоже будет являться функцией размера зерна реагирующих компонентов.

При внесении сульфата магния с водой затворения будет иметь место следующая химическая реакция:

МЕ804+Са(0Н)2^Са804|+МЕ(0Н)2|. (1)

При этом сульфатный компонент, участвующий в образовании эттрингита при взаимодействии с продуктами, быстро гидратирующихся алюминатов кальция, максимально равномерно распределяется в цементном геле, не образуя крупных зерен. Кинетика расширения и самонапряжения некоторых составов приведена на рис. 2 и 3 соответственно.

Очевиден критерий выбора оптимального соотношения алюминатного и сульфатного компонентов при подборе состава НЦ — изменение кривизны зависимости деформаций от времени с восходящей на затухающую (состав М§—1,3—25). В этом случае процессы расширения не вызывают серьезных повреждений структуры цементного камня, соответственно оказывают минимальное негативное воздействие на его прочность, тогда как составы с восходящим характером кривой либо с течением времени разрушаются, либо теряют значительную долю прочности (рис. 4, 5).

Преимущество состава на сульфате магния заключается также в том, что составы с равным содержанием по массе сульфатного компонента дают большую величину свободного расширения (НЦ-1,06—21 и М§-0,9—21). При оптимальной пропорции между сульфатным и алюминатным компонентом получаемые величины расширения и самонапряжения в проектном и двухмесячном возрасте выше, чем у классического НЦ с той же массовой долей РД (рис. 3).

Из рис. 4 на примере состава М§-1,1-25 видно негативное воздействие нестабилизированных процессов расширения на прочность НЦ (см. также рис. 5). Однако на примере того же состава четко видно компенсирующее положительное воздействие ограничения развития деформаций. Очевидно, что в условиях трехосного ограничения расширения деформаций в трубобетонном элементе возможно применение высокоэнергоэффек-

8

7

4

10

0

0

10

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® июнь 2012 63"

1,2

5

* 0,8 о

0,6

S 0,2

о. 1=

-EXP(-0,016*2)

□ НЦ-1,06-21

▲ Mg-1,1-25

• Mg-1,3-25

А 1—^^

50 100

Относительное линейное свободное расширение Z, мм/м

150

>s H <в а)

ÎS 4 -

3 3

о

О I

ч

X ° О ю о

m 1

о

НЦ-1,06-19 НЦ-1,06-19- Glenium НЦ-1,06-19 - Melflux5581 НЦ-1,06-19-СП1ВП

10 20 30 40 50

Время с момента затворения т, сут

Рис. 5. Влияние величины свободного расширения на предел прочности на сжатие: ЯНЦ - прочность образцов, содержащих расширяющую добавку; ЯПЦ - прочность образцов, не содержащих расширяющую добавку

Рис. 6. Влияние суперпластификатора на величину линейного свободного расширения Нц на примере НЦ-1,06-19

«в

X 1,5

О

S

л

о

-♦-НЦ-1,06-19 -■-НЦ-1,06-19-Glenium - НЦ-1,06-19- Melflux 5581 НЦ-1,06-19- СП1ВП

Время с момента затворения т, сут

Рис. 7. Влияние суперпластификатора на величину самонапряжения напрягающенго цемента на примере НЦ-1,06-19

с:

*

с* ср

О 2

Mg-0,9-19-0 Mg-0,9-19-0,75 Mg-0,9-19-1,25 Mg-0,9-19-1,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Время с момента затворения т, сут

Рис. 8. Влияние концентрации суперпластификатора на величину линейного свободного расширения НЦ на примере Мд-0,9-21; 0-1,5 -концентрация суперпластификатора, % от массы цемента

6

2

0

0

0

9

3

8

2

5

4

0

0

тивных составов, твердение которых при свободном расширении приводит к значительному снижению прочности (рис. 5) и даже к разрушению образцов. Независимо от вида сульфатного компонента сохраняется общая закономерность [4] снижения прочности при твердении без ограничения деформаций с увеличением деформации расширения.

Необходимо отметить, что указанные параметры свободного расширения и самонапряжения получены с применением суперпластификаторов серии 01епшт. Выбор суперпластификатора основан на оценке совместимости по результатам анализа данных серии экспериментов по оценке влияния вида пластификатора на текучесть смесей в сочетании с минимальным снижением параметров расширения и самонапряжения бетона (рис. 6—8). В связи с высокой концентрацией сульфат-ионов в цементном геле магнезиального напрягающего цемента для достижения заметного пластифицирующего эффекта в некоторых составах потребовалось повышение концентрации суперпластификаторов серии 01епшт, при этом обеспечить такой же эффект с другими добавками не удалось.

Таким образом, высокодисперсное распределение сульфатного компонента при внесении исходных материалов в растворимом виде способствует ускорению

химической реакции образования эттрингита, что благоприятно влияет на формирование структуры и свойств цементного камня и бетона.

Ключевые слова: трубобетон, дилатационный эффект, высокоэнергоэффективный напрягающий цемент, суперпластификаторы.

Список литературы

1. Красильников К.Г., Никитина Л.В., Скоблинская Н.Н. Физикохимия собственных деформаций цементного камня. М.: Стройиздат, 1980. 255 с.

2. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. М.: Стройиздат, 1986. 208 с.

3. Михайлов В.В., Литвер С.Л. Расширяющиеся и напрягающие цементы и самонапряженные железобетонные конструкции. М.: Стройиздат, 1974. 312 с.

4. Чмель Г.В., Налимова А.В. О расчете состава сульфоалюминатных расширяющихся цементов для бетонов с нормируемыми деформациями расширения // Материалы IV международной конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии». Ростов-на-Дону: РГСУ, 2006.

64

научно-технический и производственный журнал

июнь 2012

jVJ ®