CC BY
13УДК 693.542.4
В.Н. БАШЛЫКОВ, П.Н. СИРОТИН, инженеры, ООО «НПЦ «ПолиРелакС» (Москва)
Специальные цементы для производства бетонных работ в зимнее время
Известно, что для твердения бетона в зимних условиях необходимо предотвратить замерзание его жидкой фазы, то есть в твердеющем на морозе бетоне нужно сохранить положительную температуру до набора этим бетоном определенной прочности или искусственно понизить температуру замерзания жидкой фазы [1]. С этой целью применяются противоморозные добавки. По способу применения, по действию на бетон и по количеству, вводимому в бетон, используемые в последние 50 лет противоморозные добавки условно разделяют на три группы.
Первая группа — электролиты: хлориды кальция и натрия, нитрит натрия, нитрит и нитрат кальция, поташ, другие соли, а также их смеси. Эти добавки вводятся в бетон в значительном количестве — 4—15% по сухому веществу от массы цемента. Например, количество нитрита натрия или поташа при температуре -10оС составляет около 8% массы цемента, при более низкой температуре расход добавки увеличивается [2]. Такой расход противоморозных добавок позволяет бетону, твердеющему при расчетной температуре -10оС, в возрасте 28 суток набрать около 50% от прочности бетона без добавки, твердеющего в нормальных условиях. Также в СНиП 3.03.01—87 содержится требование о том, что бетон с противоморозной добавкой должен набрать не менее 20% проектной прочности, перед тем как он охладится до расчетной температуры. Это позволяет бетону приобрести проектную прочность при твердении после оттаивания.
Такие противоморозные добавки в указанных количествах широко применялись в 60-80-х гг. прошлого века, однако в настоящее время их применение ограничено рядом факторов. Например, применение хлоридов
ограничено в большинстве железобетонных конструкций из-за отрицательного влияния на арматуру, а в европейских странах применение хлоридов в качестве добавок для бетона вообще не допускается. Нитрит натрия является ядовитым веществом, поэтому при его применении необходимо принимать дополнительные меры предосторожности. Поташ в больших количествах резко ускоряет сроки схватывания бетонной смеси, значительно усложняя бетонные работы. Также нет однозначного ответа на вопрос о влиянии значительного количества добавки на долговечность бетона. Например, европейский стандарт EN 206-1-2000 не допускает применения химических добавок в количестве более 5% без должного обоснования. Больше того, при отсутствии замораживания прочность бетона всегда обратно пропорциональна количеству введенной противоморозной добавки [3].Соответственно при увеличении количества противоморозной добавки снижается прочностной потенциал бетона.
Ко второй группе относятся комплексные противоморозные модификаторы, состоящие из тех же электролитов и эффективных пластификаторов или суперпластификаторов. Введение в противоморозный комплекс водопонижающего компонента позволило снизить расход электролитов в 1,5 — 2,5 раза. В соответствии с [4] количество вводимого в бетон комплекса - нитрит натрия + С-3 — для температуры -10оС составляет 4%+0,6%. Эта группа добавок также предназначена для беспрогревно-го бетонирования и обеспечивает около 50% проектной прочности бетона, твердеющего при расчетной температуре -10оС. Резкое снижение количества электролита в комплексных противоморозных добавках позволило значительно улучшить качество «зимнего» бетона.
Таблица 1
Технические характеристики Единица измерения Показатели
Полирелакс ПМ-400 Полирелакс ПМ-500
Сроки схватывания: начало конец мин ч Не ранее 60 Не позднее 10 Не ранее 60 Не позднее 10
Прочность при сжатии (твердение при отрицательной температуре -10оС) в возрасте 3 сут 7 сут 28 сут МПа МПа МПа Не менее 10 Не менее 20 Не менее 40 Не менее 10 Не менее 30 Не менее 50
Прочность при изгибе (твердение при отрицательной температуре -10оС) в возрасте 28 сут МПа Не менее 7 Не менее 7
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] ® февраль 2010 49""
Рис. 1. Кинетика нарастания прочности при сжатии Рис. 2. Температура окружающей среды в период с 14.12.09 г. по 11.01.10 г.
К третьей группе следует отнести все современные добавки. Что изменилось? Во-первых, стали использовать много новых электролитов — формиаты, ацетаты, тиосульфаты, роданиды и пр. Во-вторых, более широко применяются водоредуцирующие компоненты для комплексных противоморозных добавок. В-третьих, изменился подход к применению противоморозных добавок — их в настоящее время применяют в основном в сочетании с прогревом бетона. С одной стороны это позволило уменьшить расход противоморозных добавок, вводимых в бетон, до 1—3 % для расчетной температуры -10оС, с другой — применение противоморозных добавок теперь сложно рассматривать как самостоятельный способ зимнего бетонирования. Можно с уверенностью сказать, что более 90% представленных на нашем рынке отечественных и импортных противоморозных добавок с предлагаемым расходом 1—3% для температуры -10оС необходимо применять только в сочетании с мероприятиями по обогреву бетона — электропрогревом, инфракрасным прогревом и др., а также методом термоса. При выполнении бетонных работ в зимнее время без дополнительного обогрева противоморозные модификаторы необходимо вводить в количестве, указанном для первых двух групп добавок.
Для организации прогрева бетона требуется дополнительное специальное оборудование, наличие необходимой электрической или тепловой мощности, а также высокая квалификация специалистов. Не всегда это экономически оправданно, например при бетонировании небольших объемов, а в некоторых случаях организация прогрева невозможна.
На практике строители часто сталкиваются с необходимостью укладки бетонной смеси без возможности проведения дополнительных мероприятий по ее обогреву,
при этом они хотят иметь гарантии по достижению бетоном проектной прочности. С целью исключения прогрева из процесса зимнего бетонирования должны быть разработаны бетоны, которые набирают высокую прочность (от 20 до 50 МПа и более), твердея при низких отрицательных температурах (от -10оС до -25оС). Бетоны должны изготавливаться из бетонной смеси с подвижностью П3-П5, а мелкозернистые бетоны — из самоуплотняющихся смесей с расплывом конуса более 50 см, что позволит значительно упростить технологию бетонирования.
Задачу набора высокой прочности бетоном, твердеющим при низкой отрицательной температуре, удалось решить, объединив в единый комплекс цемент и химические добавки. Было разработано два противоморозных комплекса, состоящих из специальным образом подобранных по химико-минералогическому составу портландцементов, высокоэффективных ПАВ и солей алифатических поликислот. Совместимость входящих в комплексы компонентов позволяет получить суммарный противоморозный эффект, который значительно превосходит эффект от введения всех известных в настоящее время противоморозных добавок. При разработке рецептуры учитывались аспекты совместимости не только в системе цемент — добавка[5], но и совместимость в более сложной системе цемент — ПАВ — органический электролит. Отдельно следует отметить, что при разработке противоморозных комплексов выполнены требования EN 206-1 2000: общее количество химических добавок в комплексе не превышает 4%.
Эти два комплекса получили наименованияя: специальный противоморозный цемент «ПолиРелакС ПМ400» и «ПолиРелакС ПМ500». Преимущество этих спеццементов в том, что они имеют нормируемые показатели по прочности при сжатии и изгибе (выраженные
Таблица 2
Расход на 1 м3 бетона, кг Осадка кону-са/Расплыв конуса, см Сохраняемость первоначальной подвижности, мин Прочность при сжатии, МПа, в возрасте, сут Условия
Полирелакс ПМ500 Полирелакс ПМ400 Песок Щебень 3 7 28 твердения
710 1420 28/65 120 28,5 44,9 54,3 е- мС
530 1590 26/55 90 13,4 18,5 29,6 Я о к0 Т
450 900 900 24/45 120 21,4 33,2 48,7 0 ф * £ 1 £
450 890 890 22/36 90 15,9 25,6 37,1 8 а
400 820 1040 17 25,9 42,4 58,5 § 5 ме в т
400 810 1020 18 13,3 24,7 35,8 к и ор ут п о О) га а 2
350 830 1080 15 10,4 16,2 27
Таблица 3
Наименование цемента и химических добавок Расход цемента, кг на 1 м3 бетонной смеси Осадка кону-са/расплыв конуса, см Прочность при сжатии, МПа, в возрасте, сут Относительная прочность в возрасте 56 суток, % Условия твердения
3 7 28 56
ПолиРелакС ПМ400 450 22/36 29,5 36,4 47,6 49,2 100 56 сут при 20оС
ПолиРелакС ПМ400 450 22/36 15,9 25,6 37,1 48,6 99 28 сут при -10оС, затем 28 сут при 20оС
ПолиРелакС ПМ400 450 22/36 3,5 11,7 26,3 44,6 91 28 сут в естественных условиях при температуре (см. рис. 2) затем 28 сут при 20оС
ПолиРелакС ПМ500 450 24/40 38,9 48,5 57,3 58,6 100 56 сут при 20оС
ПолиРелакС ПМ500 450 24/40 21,4 33,2 48,7 58,2 99 28 сут при -10оС, затем 28 сут при 20оС
ПолиРелакС ПМ500 450 24/40 5,3 19,4 47,1 59,1 101 28 сут в естественных условиях при температуре (см. рис. 2) затем 28 сут при 20оС
ПЦ 500 Д0 с добавкой С-3 + нитрит натрия в количестве 0,6%+4,0% 450 22/35 24,8 29,2 36,8 39,4 100 56 сут при 20оС
ПЦ 500 Д0 с добавкой С-3 + нитрит натрия в количестве 0,6%+4,0% 450 22/35 3,3 9,7 19,5 33,1 84 28 сут при -10оС, затем 28 сут при 20оС
ПЦ 500 Д0 с добавкой С-3 + нитрит натрия в количестве 0,6%+4,0% 450 22/35 0,5 3,2 10,4 23,2 59 28 сут в естественных условиях при температуре (см. рис. 2) затем 28 сут при 20оС
в «единицах прочности», а не в процентах) при температуре твердения -10оС (табл. 1).
Почему выбрана эта температура? По нескольким причинам. Во-первых, это средняя месячная температура в январе для Центрального региона России в соответствии с СНиП 2.01.07—85*. Во-вторых, по нашим данным, именно с этого рубежа начинаются большие проблемы с финальной прочностью бетона (падение прочности на 15—40%) после охлаждения бетона в начальный период твердения на сравнительно короткое время (12—24 ч), это касается и бетонов, изготовленных с применением большинства используемых в России противоморозных добавок с расходом 1—3%. В-третьих, мы предположили, что если спеццемент будет соответствовать нормативным показателям табл.1, то его можно будет использовать при температурах -20—25оС без ущерба для финальной прочности, по аналогии с обычным портландцементом, показатели для которого нормируют при 20оС, а использовать его можно и при 10оС, и при 5оС без опасения потери конечной прочности бетоном.
Проведенные испытания с использованием морозильной камеры и в естественных условиях нынешней зимы подтвердили это (см табл. 2 и табл. 3). Прочность образцов бетонов определялась в соответствии с ГОСТ 30459—2003, т. е. после оттаивания на воздухе при температуре 20оС в течение 4-х часов.
Показатели прочности бетона, изготовленного с применением спеццементов «ПолиРелакС ПМ400» и «ПолиРелакС ПМ500», представленные в табл. 2, демонстрируют возможность получения бетонов классов В20
— В40, приготовленных из высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей при температуре твердения -10оС.
Особенностью спеццементов «ПолиРелакС ПМ400» и «ПолиРелакС ПМ500» является не только высокая прочность при отрицательной температуре, но и высокая скорость ее набора. Из рис. 1 следует, что рост прочности бетонов с применением противоморозных спеццементов, твердеющих при температуре -10оС, незначительно отличается (после 2 сут) от стандартной кривой твердения бетона без противоморозных компонентов при 18оС.
Отдельно следует отметить высокие показатели сохраняемости подвижности бетонной смеси, изготовленной с применением противоморозных спеццементов. Как показали испытания, бетонная смесь, изготовленная на основе «ПолиРелакС ПМ400» при температуре 20оС, сохраняет высокую подвижность П5 в пределах марки более 90 мин, а на основе «ПолиРелакС ПМ500»
— более 120 мин. Эти показатели значительно превышают показатели сохраняемости для бетонных смесей с использованием большинства известных противомо-розных добавок. По нашим данным и по данным литературных источников, большинство современных про-тивоморозных модификаторов не может обеспечить сохраняемость подвижности бетонной смеси в пределах марки более 60 мин.
Проведенные испытания в естественных зимних условиях позволяют утверждать, что бетоны, изготовленные с применением противоморозных спеццементов, допускают воздействие на них низкой отрицатель-
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® февраль 2010 ёГ
ной температуры до -25оС даже в начальный период твердения. Условия эксперимента сложились так, что кубики из бетона сразу подверглись воздействию наиболее низкой температуры: трое суток температура не поднималась выше -20оС, а минимальная температура опускалась почти до -26оС (см. рис. 2). Далее установилась типичная для Центрального региона России зимняя погода со средней температурой около -10оС. Несмотря на жесткие погодные условия, бетоны, изготовленные с применением противоморозных спеццементов, набирали прочность достаточно интенсивно и уже в недельный срок (наиболее холодный период) превзошли прочность бетона с распространенной противоморозной комплексной добавкой в возрасте 28 сут (табл. 3). А в возрасте 28 сут бетоны, изготовленные с применением «ПолиРелакС ПМ400» и «ПолиРе-лакС ПМ500», по прочности соответствуют классам В20 и В35. Далее образцы бетона были помещены в камеру нормального твердения еще на 28 сут. Полученные результаты показывают, что прочность бетона, подвергшегося предварительному воздействию отрицательной температуры, и прочность того же бетона, находившегося в камере нормального твердения все 56 сут, практически идентичны. Это подтверждает то, что при охлаждении бетонов, изготовленных с применением противо-морозных спеццементов, до -25оС в их структуре не происходит деструктивных явлений, которые оказывают негативное влияние на прочность (табл. 3).
Разработанные специальные противоморозные цементы «ПолиРелакС ПМ400» и «ПолиРелакС ПМ500» позволяют значительно упростить процесс зимнего бетонирования. Они позволяют получить проектную прочность бетона уже в зимний период, исключив из процесса зимнего бетонирования мероприятия по обогреву, а также значительно облегчить процесс уплотнения бетон-
ной смеси. В первую очередь специальные противоморозные цементы могут быть востребованы производителями сухих строительных смесей для изготовления растворных и бетонных смесей с заданным значением прочности при отрицательной температуре. Также они должны найти широкое применение для изготовления различных «зимних» ремонтных составов, непосредственно на месте проведения ремонта. Специальные цементы следует применять при проведении зимнего бетонирования в труднодоступных районах, там, где отсутствует возможность организации мероприятий по прогреву и уплотнению бетона. Также их экономически оправданно применять для бетонирования небольших объемов, в тех случаях, когда затраты на организацию и проведение прогрева и уплотнения бетона превышают его стоимость. Применение специальных противоморозных цементов может значительно облегчить ремонтно-восстановитель-ные работы в чрезвычайных ситуациях.
Список литературы
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. — 2-е изд., перераб. и доп. М., 1998. 768 с.
2. Руководство по применению бетонов с противомо-розными добавками. М.: Стройиздат, 1978. 81с.
3. Лагойда А.В. Зимнее бетонирование с использованием противоморозных добавок к бетону // Бетон и железобетон. 1984. № 9. С.23—26.
4. Руководство по применению бетона с комплексными противоморозными добавками. М., 1987. 45 с.
5. Ушеров-Маршак А.В., Циак М. Совместимость — тема бетоноведения и ресурс технологии бетона // Строит. материалы. 2009. №10. С.12-15.
6. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях М., 2005. С. 255.
НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР < > «ПолиРелакС» Реклама с>
♦ эффективные добавки для бетона
противоморозная ♦ специальные цементы с
добавка уникальными свойствами
Релаксол® ♦ услуги аттестованной лаборатории
♦ персональный подбор состава
ускоритель бетона
твердения ♦ разработка технической
документации
140011, Московская обл., г. Люберцы, ул. Авиаторов, д.4, корп.2, офис 3 тел.: (495) 980-78-38, тел./факс: (495) 980-78-39, e-mail: polirelaks@rambler.ru
