CC BY
20Сердюкова А. А., начальник производственной лаборатории,
ОАО «Завод ЖБК-1» Рахимбаев Ш. М., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР НА КИНЕТИКУ ТВЕРДЕНИЯ
ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ
Вопрос о влиянии температурного фактора на кинетику твердения цементов в зависимости от содержания основных клинкерных минералов недостаточно исследован. В связи с этим данная статья посвящена рассмотрению кинетики твердения клинкерных минералов при пониженных температурах в сравнении с кинетикой твердения при 20°С.
Ключевые слова: клинкерные минералы, пониженные температуры, кинетика твердения, цементный камень.
Для России, как страны с суровыми климатическими условиями, актуальна проблема регулирования процесса твердения цементобетона при пониженных температурах. Ей посвящены исследования отечественных и зарубежных специалистов [1].
Однако в имеющихся публикациях рассмотрены отдельные цементы с фиксированным минералогическим составом. Вопрос же о влиянии температурного фактора на кинетику твердения цементов в зависимости от содержания основных клинкерных минералов недостаточно исследован. В связи с этим данная статья по-
священа рассмотрению кинетики твердения клинкерных минералов при пониженных температурах в сравнении с кинетикой твердения при 20°С. В качестве исходных данных были взяты результаты экспериментальных исследований, приведенных в [1].
На графиках (рис. 1-8) приведены данные о росте прочности цементного камня из различных минералов при температуре среды от -15 до +20 °С. Для их обработки были использованы уравнение кинетики твердения, основанное на теории переноса, и полулогарифмическое уравнение [2].
Рис. 1. Кинетика набора прочности цементным камнем из клинкерных минералов при 20 °С
Рис. 2. То же при предварительном твердении при 5°С в течение 1 суток и последующем твердении при 20 °С
Рис. 3 .То же при предварительном твердении при 5°С в течение 7 суток и последующем твердении при 20°С
Рис. 4. Кинетика набора прочности цементным камнем из клинкерных минералов при 5°С
Рис. 5 Кинетика набора прочности цементным камнем из клинкерных минералов при 0°С
Рис. 6 Кинетика набора прочности цементным камнем из клинкерных минералов при минус 5°С
Рис. 7. Кинетика набора прочности цементным камнем из клинкерных минералов при минус 10°С
Первое из них записывается следующим образом:
- = (-)о + к -а а
(1)
где = (—) - величина, обратная начальной
и о а
скорости твердения, сут/МПа; т - время, сут.; к, МПа-1 - коэффициент диффузионного торможения, учитывающий замедление скорости процесса вследствие уменьшения содержания в системе наиболее активных компонентов (С3А и С38), а также из-за роста толщины слоя новообразований на гидратирующихся частицах, что
Рис. 8. Кинетика набора прочности цементным камнем из клинкерных минералов при минус 15°С
вызывает снижение скорости диффузии ионов в гидратирующемся вяжущем.
Записываем полулогарифмическое уравнение следующим образом:
ат=ах + Ъ 1ёт , (2)
где о1 - прочность в 1 сут., МПа; т - время, сут.; от - набор прочности в течение времени т, МПа. На основе расчета кинетических констант твердения клинкерных минералов были построены зависимости и0, К1ог, а и Ь от температуры (рис. 9-17).
Рис. 9, 10, 11 Зависимость начальной скорости, коэффициента торможения и коэффициентов а и Ь процесса твердения С38 от условий твердения
Рис. 12, 13, 14 Зависимость начальной скорости, коэффициента торможения и коэффициентов а и Ь процесса твердения С3А от условий твердения
Рис. 15, 16, 17 Зависимость начальной скорости, коэффициента торможения и коэффициентов а и Ь процесса твердения С4ЛР от условий твердения
Из рисунка 9 видно, что начальная скорость твердения и0 С38 при понижении температуры от 20 до 0°С снижается в 2,6 раза (от 8,2 до 3,2), тогда как коэффициент торможения процесса твердения К1ог С38 (рис. 10) имеет минимальное значение при предварительном выдерживании образцов в течение семи суток при 5°С с последующим твердением при 20°С. Как повышение до 20°С, так и снижение температуры до 0°С вызывает рост коэффициента торможения процесса твердения С38. В целом понижение температуры от 20 до 0°С оказало значительно меньшее влияние на коэффициент тор-
можения, чем на начальную скорость твердения. Из этого следует вывод: при понижении температуры до 0°С резко понижается прочность лишь в первые сроки твердения, в отдаленные сроки твердения С38 отрицательная роль понижения температуры среды снижается.
Как видно из рисунка 12 начальная скорость твердения и0 С3А имеет максимальное значение 7,5 МПа/сут при твердении при 0 °С. Особенно сильно возрастает и0 при переходе от предварительного выдерживания образцов в течение семи суток при 5°С с последующим твердением при 20 °С к постоянному твердению при
0 °С. Коэффициент торможения процесса твердения С3А, наоборот, минимален в области температур от 0°С до +5°С (рис. 13). Указанное парадоксальное на первый взгляд явление объясняется тем, что при снижении температуры предотвращается фазовый переход гексагональных гидроаллюминатов кальция состава 4 Са0Л1203 19Н20 в кубическую форму состава 4 Са0Л1203 6Н20. Известно, что последний обладает значительно худшими связующими свойствами, чем гексагональные гидроаллюминаты кальция. Из приведенных графиков следует, что стабилизации гексагональной формы гидроал-люмината кальция способствует предварительное твердение образцов при 5°С и более низких температурах в течении 7 суток и более.
Сопоставление графиков на рисунках 9 и 12 показывает, что максимальные значения и0 С38 и С3А близки между собой, тогда как коэффициент торможения процесса твердения С38 в пять раз ниже, чем у С3А.
Из графиков на рисунках 15,16 следует, что начальная скорость твердения и0 СЛБ, также как и у С3А имеет максимальное значение в интервале температур от 0 до +5°С. Коэффициент торможения процесса твердения К1ог также максимален при температуре 0°С.
Сопоставление данных по кинетике твердения С^Б с С38 и С3А показывает, что С4ЛБ имеет начальную скорость твердения и0, которая в два раза больше, чем у С38 и С3А. По этому показателю С4ЛБ значительно превосходит другие клинкерные минералы. Коэффициент торможения процесса твердения С4ЛБ более чем в два раза больше, чем у С38, но в двадцать раз меньше, чем у С3А.
Анализ кинетических констант твердения а и Ь, полученных по полулогарифмическому уравнению, в целом согласуется с данными уравнения теории переноса, за исключением С4ЛБ. Согласно расчетам коэффициентов корреляции, экспериментальные данные кинетики твердения С4ЛБ более объективно описывает уравнение теории переноса.
Из приведенного анализа следует практический вывод, который заключается в том, что в условиях низких температур наиболее предпочтительные цементы с максимальным содержанием С4ЛБ и С3А, которые способствуют максимальной скорости структурообразования и твердения бетонов в первые одни, двое суток. С38 в этот период вносит минимальный вклад в кинетику твердения цементной системы, однако он, благодаря малому коэффициенту торможения процесса твердения, способствует росту прочности в более поздние сроки.
К сожалению авторам не удалось обнаружить данных по кинетике твердения С3А и C4AF с добавкой гипса, который, несомненно, оказывает существенное влияние на рост прочности цементного камня и бетона во времени. В связи с этим изложенный выше материал относится к безгипсовым цементам, которые представляют интерес, как вяжущее для бетонов, твердеющих при низких положительных температурах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Миронов, С.А., Лагойда, А.В. Бетоны, твердеющие на морозе. - М.: Стройиздат. - 1975. - 266 с.
2. Рахимбаев, Ш.М. Расчет констант скорости некоторых процессов технологии строительных материалов / Ш.М. Рахимбаев // Проблемы материаловедения и совершенствование технологии производства строительных изделий // Белгород: БТИСМ, 1990. - 184 с.
