CC BY
30
1. Экономия за счет масштаба грузоперевозки происходит вследствие сокращения транспортных расходов на единицу груза вследствие его укрупнения.
2. Экономия за счет дальности маршрута происходит за счет сокращения стоимости перевозки груза на единицу расстояния.
Список литературы:
1. Волгин В.В. Логистика приёмки и отгрузки товаров. - М.: ИТК «Дашков и К», 2014.
2. Воронцова Е.В. Логистическая концепция как метод управления потоковыми процессами на предприятии // Вестник Волжского университета им. В.Н. Татищева. - 2013. - № 14. - С. 28-34.
3. Бауэрсокс Д.Д., Клосс Д.Д. Логистика: интегрированная цепь поставок / Пер. с англ. - М.: ЗАО «ОлимпБизнес», 2014.
СРАВНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ НАБОРА ПРОЧНОСТИ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ МИКРОЦЕМЕНТА
1 2 3
© Иванова И.С. , Пустовгар А.П. , Нефедов С.В.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ),
г. Москва
В статье рассматривается возможность применения для оценки динамики набора прочности инъекционных растворов на основе микроцемента двух методов физико-химического анализа: изотермической калориметрии и ультразвукового анализа прочности цемента (метод иСА). Исследование проводилось с применением четырех образцов промышленных микроцементов различного состава; при этом некоторые из образцов обладали схожим гранулометрическим, а другие -схожим минералогическим составами. Описаны особенности гидратации микроцементов, разработанных специально для проведения инъ-
1 Младший научный сотрудник НИИ «Строительных материалов и технологий».
2 Проректор НИУ МГСУ, кандидат технических наук.
3 Заведующий НИЛ «Строительных композитов, растворов и бетонов».
екционных работ. Сделан вывод о более предпочтительном применении метода ультразвукового анализа для оценки изменения прочностных характеристик инъекционных составов.
Ключевые слова микроцемент, инъекционный раствор, изотермическая калориметрия, ультразвуковой анализ прочности.
Введение
В связи с повышением численности населения и постоянным уплотнением застройки, постоянно растут объемы подземного строительства: развивается инфраструктура метрополитенов, подземных паркингов, значительная часть торгово-развлекательных центров, складов, архивов и других сооружений размещается под землей. Эффективное использование подземного пространства, особенно актуальное в городских условиях, приводит к экономии наземных территорий и повышению дохода с единицы площади земли. К подземному строительству как дорогостоящему и технологически сложному процессу предъявляются повышенные требования в плане его скорости, безопасности, экологичности, а также долговечности возводимых сооружений. В связи с этим возникает потребность в развитии технологий, материалов и оборудования, применяющихся в данной области. Несмотря на значительные достижения в этом направлении, подземное строительство всё так же сопряжено со значительными рисками из-за движений грунта, сложных грунтов, пролегания грунтовых вод и т.д. [1]. Эти проблемы могут быть решены за счет укрепления проблемных участков, которое производится с применением инъекционных растворов, обеспечивающих заполнение трещин в трещиноватых породах, повышение прочности слабых грунтов и остановку водопритоков.
На сегодняшний день сервисные компании предлагают широкий ассортимент инъекционных материалов, основанных на коллоидной кремнекис-лоте, минеральных вяжущих (портландцементе или сложных вяжущих) или органических вяжущих (акриловые и эпоксидные смолы). Инъекционные составы на базе смол высокоэффективны и характеризуются высокими прочностными характеристиками, однако наиболее применяемыми остаются составы на основе минеральных вяжущих. Одним из распространенных материалов такого рода является микроцемент [2, 3]. Он представляет собой продукт особо тонкого помола цементного клинкера, гипса и модифицирующих добавок; также в его состав могут входить пуццолановые добавки: доменный шлак, золы уноса или микрокремнезем.
Широко известно, что свойства материалов на основе цемента зависят от его минералогического, химического и гранулометрического состава, химической основы и дозировок применяемых добавок, а также температур-но-влажностных условий окружающей среды [4].
Высокая тонкость помола микроцемента в сравнении с обычным портландцементом придает ему улучшенные свойства, в частности, обеспечивает ускоренный набор прочности, что наряду с вязкостью является наиболее важным технологическим параметром инъекционного раствора. Однако тонкий помол также может приводить к сокращенным срокам схватывания, ложному схватыванию и избыточному тепловыделению при гидратации, что является причиной образования микротрещин в затвердевшем растворе [5]. По этой причине необходимо ответственно относиться к подбору состава инъекционного материала. Некоторые недостатки микроцементов могут быть исправлены в процессе их производства путем введения интенсифика-торов помола, таких как алканоламины, гликоли, поликарбоксилатные эфи-ры и их комбинации. Высокое тепловыделение понижается за счет пуццо-лановых добавок или путем применения замедлителей твердения (лимонной и винной кислоты, глюконатов и т.д.). Реологические характеристики улучшаются применением пластификаторов: лигносульфонатов или поли-карбоксилатов. Данные добавки снижают водопотребность цементных растворов, а также обладают замедляющим эффектом. Стоит также упомянуть, что вышеупомянутые замедлители на основе органических кислот также оказывают небольшой пластифицирующий эффект на цементные растворы. В некоторых случаях, таких как применение микроцементов на основе доменных шлаков или при низкой температуре окружающей среды, может потребоваться использование ускорителей твердения [6,7].
Вследствие того, что все вышеуказанные добавки оказывают значительный эффект на процесс гидратации микроцемента и, как следствие, на динамику набора инъекционным раствором прочности, при подборе его состава необходимо применение таких лабораторных методов исследования, которые обеспечат наиболее показательные данные о влиянии различных факторов на прочностные показатели материала.
В настоящей работе сравниваются два лабораторных метода оценки динамики набора прочности: ультразвуковой анализ (иСА) и изотермическая калориметрия. Также представлены результаты испытаний стандартным разрушающим методом. Исследование производилось с применением четырех образцов промышленных микроцементов, имеющих различный минералогический и гранулометрический состав.
Материалы и методы испытаний
В исследовании применялись четыре образца промышленных микроцементов:
- ПЦ1 - микроцемент на основе портландцементного клинкера со средним размером частиц Б50 = 4 мкм;
- ПЦ2 - микроцемент на основе портландцементного клинкера со средним размером частиц Б50 = 9 мкм;
- ШПЦ1 - микроцемент на основе смеси портландцементного клинкера и доменного шлака со средним размером частиц Б50 = 2 мкм;
- ШПЦ2 - микроцемент на основе смеси портландцементного клинкера и доменного шлака со средним размером частиц Б50 = 4 мкм.
Образцы ПЦ1 и ШПЦ2 характеризовались схожим гранулометрическим и различным минералогическим составами. Образцы ПЦ1 и ПЦ2, а также образцы ШПЦ1 и ШПЦ2 имели схожий минералогический, но различный гранулометрический состав.
Таблица 1
Гранулометрический состав изучаемых образцов микроцементов
——Образец Параметр "—— ПЦ1 ПЦ2 ШПЦ1 ШПЦ2
Содержание частиц размером < 5 цш, % масс. 57,68 29,83 91,11 60,26
Средний размер частиц Э50, мкм 4,066 9,331 2,119 4,116
Максимальный размер частиц Э100, мкм 29,396 51,177 9,700 26,550
Таблица 2
Минералогический состав изучаемых образцов микроцементов (в % масс.)
^^-^^Образец Фаза ПЦ1 ПЦ2 ШПЦ1 ШПЦ2
C3S 66,3 63,1 6,5 7,5
P-C2S 13,9 12,4 1,1 2,5
C3A 6,7 6,5 0,3 1,0
C4AF 10,1 11,7 0,9 0,6
CaSC>4x2H2O 1,5 4,1 - -
CaSO4 1,5 2,1 2,2 1,6
Аморфная фаза - - 89,0 86,8
Определение гранулометрического состава образцов производилось методом лазерной гранулометрии с применением анализатора размера частиц Analysette 22 Compact. Полученные результаты приведены в таблице 1. Ми-
нералогический состав образцов был изучен методом количественного рент-генофазового анализа с помощью порошкового дифрактометра ARL X'TRA. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Тепловыделение при гидратации образцов микроцементов измерялось методом изотермической калориметрии с применением калориметра TAM AIR. Съемка производилась в течение первых 72 часов твердения цементных паст с водоцементным отношением, равным 0,5, при постоянной температуре, равной 20 °C.
Прочность на сжатие определялась для образцов цементно-песчаных растворов, приготовленных в соответствии с ГОСТ 30744, двумя методами. Неразрушающие испытания проводились с помощью ультразвукового анализатора цемента OFITE HTHP UCA. Для проведения испытаний разрушающим методом применялась испытательная машина Controls Advantest 9. Тесты проводились на образцах 40x40x160 мм, которые хранились при температуре 20 ± 2 °C и относительной влажности воздуха 98 ± 2 % в течение первых 24 часов твердения, далее - в воде при температуре 20 ± 2°C. Образцы испытывали в возрасте 8, 24, 48 и 72 часов.
Результаты исследования
Данные о суммарном тепловыделении при гидратации изучаемых образцов микроцементов приведены на рисунке 1.
0 9 10 2432404Д566472
время твердения, ч
Рис. 1. Суммарное тепловыделение при гидратации цементных паст (В/Ц = 0,5)
Исходя из полученных данных, можно отметить следующие особенности гидратации микроцементов:
- Тепловыделение при гидратации образца ПЦ1 резко возрастает в первые 2 часа твердения, в период с 2 до 15 часов на кривой тепловыделения наблюдается участок плато, после чего скорость гидратации снова повышается.
- Подобная особенность была отмечена и для образца ПЦ2, однако скорость его гидратации ниже, чем у ПЦ1. Плато на кривой тепловыделения наблюдалось в период с 2 до 20 часов твердения.
- Для образцов ШПЦ1 и ШПЦ2 кривые тепловыделения при гидратации в первые 32 часа твердения практически идентичны, после этого скорость гидратации ШПЦ1 повышается быстрее, чем у ШПЦ2.
- К 72-м часам твердения суммарное тепловыделение при гидратации ПЦ1 и ПЦ2 практически одинаково. При этом тепловыделение образцов ШПЦ1 и ШПЦ2 в этот срок значительно ниже, чем для образцов ПЦ.
Данные о динамике набора прочности на сжатие изучаемыми образцами, полученные при помощи их ультразвукового анализа, приведены на рисунке 2. Результаты испытаний разрушающим методом приведены в таблице 3, а также на рисунке 2 (для сравнения методов).
35
зо
| 25
| И)
10
—и—ПЦ1 —»— ПШ
—■—птгпг
* ¿г а. ультразвуковой метол
л ржгрутлгащий метал
12 14
время твердения, ч
49
ео
Рис. 2. Динамика набора прочности на сжатие изучаемых образцов, измеренная ультразвуковым методом
Таблица 3
Динамика набора прочности на сжатие изучаемых образцов, измеренная разрушающим методом
Образец Время твердения^^^^^^ ПЦ1 ПЦ2 ШПЦ1 ШПЦ2
8 часов 6,3 1,5 1,7 1,0
24 часа 11,9 5,9 17,2 12,5
48 часов 25,1 20,2 26,7 25,5
72 часа 28,5 26,2 28,9 30,5
Исходя из полученных данных, можно отметить следующие особенности динамики набора прочности микроцементов:
- Прочность на сжатие и тепловыделение при гидратации изучаемых образцов цементов характеризуются схожим характером зависимостей от времени твердения. На кривых динамики набора прочности образцов ПЦ1 и ПЦ2, полученных ультразвуковым анализом, присутствовали участки плато, зафиксированные на тех же этапах твердения с помощью изотермической калориметрии.
- Ультразвуковой метод показывает более быстрый рост прочности микроцементов ШПЦ1 и ШПЦ2, чем можно было ожидать исходя из данных об их тепловыделении при гидратации, полученных методом изотермической калориметрии.
- По данным изотермической калориметрии, прогнозируемая прочность через 72 часа твердения для образцов ШПЦ1 и ШПЦ2 должна быть ниже, чем для образцов ПЦ1 и ПЦ2, однако по данным ультразвукового метода анализа все исследованные образцы микроцемента характеризовались схожими значениями прочности на сжатие в этом возрасте. Результаты ультразвукового анализа подтверждались данными разрушающих испытаний.
- Данные о динамике набора прочности образцов микроцементов на основе портландцементного клинкера в возрасте 24, 48 и 72 часов, полученные при помощи ультразвукового метода, имеют высокую сходимость с данными, полученными разрушающим методом.
Обсуждение результатов
Участки плато, наблюдаемые на кривых тепловыделения в ранних стадиях гидратации образцов ПЦ1 и ПЦ2, не являются типичными для портландцемента. В статье [8] высказывается предположение, что данный эффект может быть вызван применением интенсификаторов помола при произ-
водстве данных микроцементов, наиболее вероятно, триэтаноламина (ТЭА) или триизопропаноламина (ТИПА). Многими исследователями было показано, что ТЭА и ТИПА снижают скорость гидратации алита C3S, который, как известно, обеспечивает наиболее значительный вклад в динамику набора прочности портландцемента [9, 10]. Таким образом, версия о применении алканоламинов подтверждается и результатами ультразвукового анализа: на кривых динамики набора прочности микроцементов ПЦ1 и ПЦ2 также имеются участки плато. Можно предположить, что эффект плато был специально предусмотрен разработчиками данных продуктов. Данные микроцементы быстро набирают раннюю прочность, что позволяет минимизировать время ожидания при проведении работ, после чего прочность затвердевшего раствора остается невысокой и постоянной в течение периода времени, достаточного для проходки укрепленного участка грунта. Далее прочность материала возрастает, обеспечивая надежную цементацию инъекти-рованной зоны.
В случае с микроцементами, характеризующимися низким тепловыделением (ШПЦ1 и ШПЦ2), данные об их гидратации, полученные при помощи изотермического колориметра, плохо коррелировали с данными о динамике набора прочности по ультразвуковому методу. Результаты изотермической калориметрии позволяли сделать вывод, что микроцементы на основе доменного шлака обладают более низкой прочностью на сжатие в сравнении с микроцементами на основе портландцементного клинкера, однако ультразвуковой анализ образцов и разрушающий метод определения прочности затвердевших растворов показывали, что на самом деле динамика набора прочности данных образцов более интенсивна.
Также было установлено, что прочность на сжатие микроцементов с более тонким помолом растет быстрее в сравнении образцами, обладающими таким же минералогическим составом, но большим размером частиц. В свою очередь, динамика набора прочности микроцементов с одинаковым гранулометрическим составом зависит от их химико-минералогического состава, в особенности на ранних стадиях гидратации. Прочность на сжатие микроцемента ШПЦ2 была значительно ниже прочности ПЦ1 через 0...20 часов твердения, при этом через 20.72 часа твердения кривые набора прочности данных образцов были практически идентичными.
Сравнительные данные о наборе прочности, полученные при помощи ультразвукового анализа, лучше коррелируют с действительной динамикой набора прочности на сжатие образцов, измеренной путем разрушающих испытаний, чем данные, полученные при помощи изотермической калориметрии.
Выводы
По результатам проведенного исследования установлено, что необходимая динамика набора прочности инъекционных растворов на основе микроцемента может быть достигнута за счет вариации его химико-минералогического и гранулометрического состава, а также за счет применения специальных добавок. Например, использование алканоламинов в качестве интен-сификаторов помола при производстве микроцемента позволяет обеспечить рост прочности, способный значительно оптимизировать технологию укрепления грунта в условиях подземного строительства. Также было установлено, что более точная оценка динамики набора прочности инъекционными составами на основе микроцементов достигается методом ультразвукового анализа, т.к. метод изотермической калориметрии дает менее точный прогноз для микроцементов на основе доменного шлака, которые в настоящий момент широко распространены в качестве материала для инъекционных растворов.
Список литературы:
1. B.C. Vargas, The Future of Underground Construction Monitoring, Geo-strata. 18/5 (2014) 22-30.
2. E. Villaescusa, Y. Potvin, Ground support in Mining and Underground Construction: Proceedings of the Fifth International Symposium on Ground Support, Perth, 2004.
3. P.K. Kaiser, D. McCreath, Rock Support in Mining and Underground Construction, CRC Press, 1992, p. 715.
4. Тейлор Х. Химия цемента. - М: Мир, 1996. - 560 с.
5. S.L. Sarkar, J. Wheeler. Important properties of an ultrafine cement - Part I, Cement and Concrete Research, 31/1 (2001) 119-123.
6. J. Cheung, A. Jeknavorian, L. Roberts, D. Silva, Impact of admixtures on the hydration kinetics of Portland cement, Cement and Concrete Research, 41 (2011) 1289-1309.
7. E.B. Nelson, D. Guillot, Well Cementing: Second Edition, Schlumberger, 2006.
8. I. Ivanova, A. Pustovgar, A. Eremin, A. Adamtsevich, Special Aspects of Hydration Process of Microfine Cement, Applied Mechanics and Materials, 725726 (2015) 578-583.
9. Z. Heren, H. Olmez, The influence of ethanolamines on the hydration and mechanical properties of portland cement, Cement and Concrete Research, 26/5 (1996) 701-705.
10. E. Gartner, D. Myers, Influence of tertiary alkanolamines on Portland cement hydration, J. Am. Ceram. Soc., 76/6 (1993) 1521-1530.
