CC BY
19УДК 693.548.6:693.547.14
Л.М. КОЛЧЕДАНЦЕВ1, д-р техн. наук, О.Г. СТУПАКОВА1, инженер (olgan_70@mail.ru); Р.Р. МУСТАФИН2, канд. техн. наук,
1 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, 4)
2 ЗАО «СУ-326» (196650, Санкт-Петербург, Колпино, ул. Финляндская, 34, а/я 30)
Совместное влияние повышенной температуры и вида суперпластификатора на удобоукладываемость бетонных смесей
Показана перспективность предварительного электроразогрева бетонных смесей. Недостатком, затрудняющим широкое распространение метода, является быстрая потеря подвижности разогретой бетонной смеси. Приведены результаты экспериментальных исследований, доказывающие возможность увеличения способности сохранять подвижность бетонной смеси в технологически необходимом временном интервале.
Ключевые слова: предварительный электроразогрев, суперпластификатор, разогретая бетонная смесь, подвижность.
L.M. KOLCHEDANTSEV1, Doctor of Sciences (Engineering), O.G. STUPAKOVA1, Engineer (olgan_70@mail.ru); R.R. MUSTAFIN2, Candidate of Sciences
1 St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4 2nd Krasnoarmeiskaya Street, 190005, St. Petersburg, Russian Federation)
2 ZAO «SU-326» (P.O.B. 30, 34 Finliandskaya Street, Kolpino, 196650, St. Petersburg, Russian Federation)
Joint Effect of High Temperatures and Superplasticizers on Placeability of Concrete Mixes
Prospects of the electric pre-heating of concrete mixes are shown. One of the disadvantages that hinders the wide spreading of this method is the rapid loss of mobility of the heated concrete mix. The results of experimental studies that prove the possibility to increase the ability to maintain the mobility of concrete mix within the technologically required time interval are presented. Keywords: electric pre-heating, superplasticizer, heated concrete mix, mobility.
Отечественными и зарубежными учеными разработано большое разнообразие методов зимнего бетонирования: бетонирование в тепляках, метод термоса, различные разновидности электропрогрева бетона, выдерживание бетона в термоактивной опалубке, прогрев бетона стальной изолированной проволокой и предварительный разогрев бетонной смеси. По критериям энерго- и трудозатрат, темпам набора прочности бетона и его качества наиболее эффективным из указанных методов зимнего бетонирования является предварительный электроразогрев бетонной смеси и его разновидности [1—6].
Предварительный разогрев обеспечивает: ускоренный набор прочности (40—50% через 8 ч и 70—100% через сутки); минимум энергозатрат («50 кВт-ч/м3), улучшение качества бетона по прочности, морозостойкости сцеплению с арматурой и «старым» бетоном. Несмотря на указанные достоинства, предварительный разогрев не находит должного применения при возведении монолитных конструкций [2].
Главными из причин, сдерживающими распространение предварительного разогрева, являются недостаточная обеспеченность строительных объектов электроэнергией и быстрая потеря подвижности разогретой бетонной смеси. Если вопрос об обеспечении электрической мощностью строительной площадки можно решить, например, с применением дизель-генераторов, то решение задачи по уменьшению резкого падения подвижности бетонной смеси остается актуальным и сейчас, так как не всегда технологический процесс бетонирования удается организовать таким образом, чтобы разогретая смесь укладывалась в опалубку непосредственно после электроразогрева. Зачастую необходимы перегрузки в бадьи и транспортировка краном на место приема, что увеличивает общее время нахождения бетонной смеси в разогретом состоянии и приводит к ухудшению удобоукладываемости, что в свою очередь вызывает определенные технологические трудности.
Целью исследования стал подбор наиболее подходящей пластифицирующей добавки и ее концентрации для обеспечения сохранения во времени подвижности разогретой бетонной смеси, вводимой в смесь на заводе-поставщике товарного бетона.
Поставленная цель достигалась перебором опытным путем, применяя методы экспериментального планирования различных температурных режимов с использованием наиболее распространенных пластифицирующих добавок и изменением их концентраций при постоянном водоцементном отношении.
Для сравнения пластифицирующих свойств добавок в различных условиях были выбраны следующие варьируемые факторы: температурный режим ^=50оС, Т2=70оС; концентрация добавки в бетонной смеси ^=1%, ^=2%; при В/Ц=0,42.
Применяемые материалы: цемент: ЦЕМ I 42,5 Н (ПЦ500 Д0); щебень: гранитный М 1200 фр. 5-20 мм; песок кварцевый Мкр=1,56 мм.
Первой исследуемой добавкой стал суперпластификатор Sika ViscoCrete 5-600.
Это третье поколение суперпластификаторов для бетонов и цементно-песчаных растворов на основе водных растворов модифицированных поликарбоксилатов. По данным производителя добавки, бетон с данной добавкой отличается высокими водоредуцирующими свойствами, хорошей удобоукладываемостью и в то же время оптимальной когезией и высоким коэффициентом самоуплотнения.
Добавка применяется при приготовлении следующих типов бетонных смесей: с высокой подвижностью (литые бетоны); самоуплотняющиеся бетонные смеси; с высоким водопонижением (до 30%); для высокопрочных бетонов.
Производителем добавки отмечается положительное влияние добавки на бетон, в частности: повышение ранней прочности; уменьшение усадки и ползучести; уменьшение карбонизации бетона.
научно-технический и производственный журнал
Ш^улг&иш
Materials and structures
25
20
10
4
S V /
д ч
1 \ 3 * Ч
1 \ * * 2 % \
1 г 1 1 \ 1 4- \
1 \ У \
\
10
20 Т, мин
30
40
Рис. 1. Зависимость осадки конуса от способа введения добавки Sika ViscoCrete 5-600: 1 - V=1%, Т=70оС; 2 - V=1%, Т=50оС; 3 - V=2%, Т=70оС; 4 - V=2%, Т=50оС
25
20
15
10
4
ч <
V" \ N s
s \ 5 \
"Л 1 \ V
1-. \
\ s % V
\ s \ \ Л
* \ \ \ Ч г V 1 V
10
20 Т, мин
30
40
25
20
15
10
4
\ \
\ ч, 3 ^
\ V
\ \ \
\ 2 \
\ > 1
1 ъ
10
20 Т, мин
30
40
Рис. 2. Зависимость осадки конуса от способа введения добавки MC Bauchemie Russia Muraplast FK 63: 1 - V=1%, Т=70оС; 2 - V=1%, Т=50оС; 3 - V=2%, Т=700оС; 4 - V=2%, Т=50оС; 5 - V=1,5%, Т=50оС
Рис. 3. Зависимость осадки конуса от способа введения добавки BASF Glenium Sky 505: 1 - V=1%, Т=700оС; 2 - V=1%, Т=50оС; 3 - V=2%, Т=70оС; 4 - V=2%, Т=50оС
5
5
5
0
0
0
Бетонная смесь объемом 6 л приготавливалась в соотношении 1:1,97:2,72:0,42 (цемент/песок/щебень/ вода).
После тщательного перемешивания производился замер осадки конуса (ОК) до разогрева. Далее смесь помещалась в емкость для разогрева и подавался электрический ток U=220 В промышленной частоты (50 Гц). Нагрев производился до 70 и 50оС. После электроразогрева смесь перегружалась в конус для замера осадки конуса. Далее для поддержания температуры на заданном уровне смесь помещалась обратно в емкость для разогрева. Цикл повторялся до тех пор, пока смесь не превратится в жесткую. Длительность цикла по загрузке конуса, испытания и погрузке обратно в емкость с последующим подогревом занимала около 6±0,5 мин. Число опытов в каждой серии не менее трех.
В первой серии эксперимента с добавкой Sika ViscoCrete 5-600 смесь содержала 1% добавки от массы цемента, а начальная ОК составила 18 см. При разогреве смеси до 70оС смесь практически мгновенно теряла подвижность, что делало затруднительным измерение ее осадки конуса, которая соответствовала ~ 1—2 см (рис. 1, кривая 1).
При разогреве бетонной смеси с содержанием добавки 1% до 50оС испарение воды уменьшалось, что увеличило подвижность разогретой смеси, а меньшая температура не приводила к стремительной гидратации цемента. Таким образом, смесь теряла подвижность с П4 до П1 за 11 мин (отчет ведется с момента первого замера осадки конуса разогретой смеси), а с П4 до П3 — за 5 мин (рис. 1, кривая 2), что недостаточно для работы в условиях строительной площадки.
При испытании 2% содержания добавки в бетонной смеси результаты оказались более интересными с точки зрения практического применения. Причем начальная осадка конуса увеличилась до 22 см, что соответствует П5, а способность сохранять подвижность бетонной смеси в пределах до 10 см. Осадка конуса (П3) составила 33 мин при 50оС нагрева (рис. 1, кривая 4) и 24 мин при 70оС нагрева (рис. 1, кривая 3).
Следующей исследуемой добавкой стал суперпластификатор от MC Bauchemie Russia — Muraplast FK 63. Данная добавка произведена на основе полимера эфи-ров поликарбоксилатов. Ее высокая эффективность достигается за счет стерического эффекта, электростатического отталкивания и эффекта отсроченной адсорбции.
По данным производителя, добавка позволяет экономить цемент или перейти на более низкие марки с сохранением прежней прочности бетона. Так же как и
предыдущая, эта добавка позволяет получить самоуплотняющиеся бетонные смеси и незначительно влияет на сроки схватывания цемента при длительном сохранении подвижности бетонной смеси. Дозировка 0,2—2,5%.
Испытания проводились аналогично предыдущей серии. Добавка Muraplast FK 63 изначально показала более высокие значения ОК холодного бетона, которые составили 19 и 23 см для 1 и 2% содержания пластификатора соответственно. При 1% содержании наблюдалось снижение ОК с уровня 19 до 17 и 16 см при 50оС (рис. 2, кривая 2) и 70оС (рис. 2, кривая 1) соответственно, непосредственно после разогрева. Далее на протяжении 15 мин наблюдается слабое изменение подвижности бетонной смеси при 1% концентрации и 50оС, которая достигает 16 см, и резкое падение подвижности при 70оС до уровня П1 за 10 мин. Общее технологически приемлемое время работы с разогретой бетонной смесью с добавкой составило 22 и 10 мин при 50 и 70оС соответственно.
Эксперимент с содержанием 2% пластификатора показал увеличение способности бетонной смеси сохранять подвижность более 40 мин с изменением ОК с 23 до 15 см при 50оС (рис. 2, кривая 3).
Таким образом, применение данной добавки предоставляет возможность увеличить промежуток времени для укладки бетонной смеси в опалубку даже при сравнительно небольшом содержании (1%).
Третьим исследуемым суперпластификатором стал BASF Glenium Sky 505.
Добавка представляет собой водный раствор поли-карбоксилатного эфира и лигносульфоната. Предназначена для производства товарного бетона. Рекомендованная производителем область применения — самоуплотняющиеся и литые бетоны.
Механизм действия добавки BASF Glenium Sky 505 основан на адсорбции ее молекул на поверхности частиц цемента. Благодаря этому на поверхности частиц образуется одноименный электрический заряд, возникающие при этом силы электростатического отталкивания не позволяют частицам сближаться и образовывать конгломераты. Кроме эффекта электростатического отталкивания в механизме действия присутствует и пространственный эффект, за который отвечают боковые цепи, являющиеся частью молекулы. Сумма этих двух эффектов приводит к высокому водоредуцирующему действию.
Замер подвижности бетонной смеси до ее разогрева подтвердил высокие пластифицирующие свойства добавки, значения удобоукладываемости соответствовали марке П5. Замеры показали, что после внесения тепла в
fj научно-технический и производственный журнал
M' ® июль 2016 37
обоих случаях при температурах 50оС (рис. 3, кривая 2) и 70оС (рис. 3, кривая 1 ) с содержанием добавки 1% данный суперпластификатор не обеспечивает должной сохранности подвижности разогретой бетонной смеси, что приводит к скорому превращению подвижной смеси в жесткую. Повышение концентрации до 2% увеличивает время пластичной фазы до 10 мин (рис. 3, кривая 3 ) и 22 мин (рис. 3, кривая 4 ) для температур 70 и 50оС, соответственно. Следовательно, добавка BASF Glenium Sky 505 не обеспечивает увеличения времени сохранения требуемой подвижности разогретых бетонных смесей.
Таким образом, в ходе проведения эксперимента были рассмотрены три наиболее распространенных и широкодоступных суперпластификатора при различной температуре и концентрации в бетонной смеси.
Все рассмотренные добавки показали высокие водо-редуцирующие свойства примерно на одном уровне до электроразогрева. После предварительного электроразогрева и в течение всего эксперимента результаты показали, что наиболее подходящими добавками оказались пластификаторы фирм Sika и MC. Особенно выделяется суперпластификатор MC Bauchemie Russia — Muraplast FK 63, с его применением бетонная смесь дольше сохраняла подвижность; даже при концентрации в 1% подвижность смеси могла конкурировать с содержанием пластификатора Sika 2% и опережала по показателям смеси с использованием добавки BASF.
По результатам этих сравнений произведен дополнительный опыт с бетонной смесью, содержащей суперпластификатор MC 1,5% (рис. 2, кривая 5) и температурой разогрева 50оС. Данные дополнительных замесов показали незначительное увеличение ОК сразу после замеса и способности сохранения подвижности примерно на 30% по отношению к 1% содержанию этой
Список литературы
1. Молодин В.В., Усинский Е.К.Зимнее бетонирование строительных конструкций жилых и гражданских зданий в монолитном исполнении // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 6 (582). С. 51-60.
2. Колчеданцев Л.М., Ступакова О.Г., Мустафин Р.Р. Применение разогретых бетонных смесей для повышения прочности стыка сборно-монолитных зданий // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 17-19.
3. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Редькина А.С., Нестеров С.А. Контроль тепловых процессов, происходящих в теле монолитной железобетонной конструкции при зимнем бетонировании // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 40-43.
4. Попов Ю.А., Молодин В.В., Лунев Ю.В., Суханов А.С. Энергосберегающая и щадящая технология зимнего бетонирования строительных конструкций // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 2. С. 122.
5. Толкынбаев Т.А., Головнев С.Г., Торпищев Ш.К. Добавка для зимнего бетонирования монолитных сооружений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. Т. 13. № 2. С. 34-37.
6. Минаков Ю.А., Кононова О.В., Анисимов С.Н., Грязина М.В. Управление кинетикой твердения бетона при отрицательных температурах //Фундаментальные исследования. 2013. № 4-2. С. 307-311.
7. Мустафин Р.Р. Использование разогретых смесей при замоноличивании стыков сборно-монолитных зданий и бетонировании конструкций в несъемной опалубке. Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. СПб.: СПбГАСУ, 2013. С. 72-81.
же добавки. В целом с добавкой от MC сохранение подвижности смеси при 50оС составило около 40 мин при падении ОК с 20 до 10 см, что вполне достаточно, чтобы доставить и уложить предварительно разогретую бетонную смесь в опалубку.
Во всех сериях испытаний на удобоукладываемость холодных и разогретых смесей (без добавок и с различными сочетаниями температур разогрева и концентрации добавки) изготавливались бетонные образцы размером 100х100х100 мм, которые выдерживались в нормальных условиях в течение 28 сут и испытывались на сжатие.
Испытания образцов из бетонной смеси с содержанием 2% добавки BASF Glenium Sky 505 показали значительное снижение прочности на ранних сроках, т. е. по прошествии 24 ч выдерживания в нормальных условиях образцы не набирали распалубочной прочности, что неприемлемо при интенсификации бетонных работ.
Испытания бетонных призм c добавками MC Bauchemie Russia — Muraplast FK 63 и Sika ViscoCrete 5-600 показали увеличение прочности до 7% по сравнению с образцами бетона без применения добавки [7]. Выводы.
Проведенные исследования доказали технологическую возможность широкого применения установок предварительного электроразогрева, в том числе при их стационарном использовании. Применение добавок-суперпластификаторов в экспериментально подобранной концентрации позволяет достигнуть 30—40 мин сохранения требуемой удобоукладываемости разогретой бетонной смеси, что дает возможность стационарной установки устройства предварительного электроразогрева на строительной площадке и перемещения разогретой смеси от поста разогрева к месту приема в бадьях.
References
1. Molodin V. V., Usinsk E.K. Zimny concreting of building constructions of residential and civil buildings in monolithic execution. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2007. No. 6 (582), pp. 51-60. (in Russian).
2. Kolchedantsev L.M., Stupakova O.G., Mustafin R.R. Use of the warmed concrete mixes for increase of durability of a joint of combined and monolithic buildings. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2012. No. 4, pp. 17-19. (In Russian).
3. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Redkina A.S., Neste-rov S.A. Control of the thermal processes happening in a body of a monolithic reinforced concrete design at winter concreting. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2010. No. 3, pp. 40-43. (In Russian).
4. Popov Yu.A., Molodin V. V., Lunev YU.V., Sukha-nov A.S. The energy saving and sparing technology of winter concreting of building constructions. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2012. No. 2, pp. 122. (In Russian).
5. Tolkynbayev T.A., Golovnev S.G., Torpishchev Sh.K. An additive for winter concreting of monolithic constructions. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo uni-versiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2013. T. 13. No. 2, pp. 34-37. (In Russian).
6. Minakov Yu.A., Kononova O.V., Anisimov S.N., Gryazina M.V. Management of kinetics of curing of concrete at negative temperatures. Fundamental'nye issledo-vaniya. 2013. No. 4-2, pp. 307-311. (In Russian).
7. Mustafin R.R. Use of the warmed mixes at a zamonolich-ivaniye of joints of combined and monolithic buildings and concreting of designs in a fixed timbering. Cand. Dis. (Engineering). Saint Petersburg. 2013, pp. 72-81. (In Russian).
научно-технический и производственный журнал
Ш^улг^иш
