Maintainability of concrete mix mobility depending on environmental temperature
Maintainability of concrete mix mobility depending on environmental temperature
Abstract
The work examines the issues of maintainability of concrete mixtures under the influence of climatic factors during prolonged exposure to the open air. The questions of determining the rate of mobility and strength reduction with prolonged exposure to positive and negative temperatures are examined. The efficiency of superplasticiser additives on the basis of temperature reaction coefficient is evaluated. The temperature reaction coefficient allows to substantiate the choice of chemical admixture for production of ready-mix concrete from the point of view of its resistance to alternating temperatures. On the basis of the obtained data, it is possible to predict the maintainability of concrete mixtures at different temperatures by conducting climatic tests at two temperatures.
1. Введение
Активное строительство и быстрый рост крупных городов приводит к необходимости более тщательного контроля сохраняемости свойств бетонной смеси во времени. Возникает необходимость, производства бетонных смесей, с временем сохраняемости подвижности не менее трех часов, в том числе в условиях высоких температур при производстве работ в летнее время
, . Высокая сохраняемость подвижности, необходима при длительном транспортировании, предполагающая, как правило, несколько часов с момента производства до укладки в опалубку, продолжительной укладке бетонной смеси, а также для снижения последующих негативных усадочных процессов при схватывании и твердении бетона. Решением проблемы малой сохраняемости подвижности, являются пластификаторы, позволяющие значительно увеличить время транспортирования , . Но данные продукты ограничены по количеству предложений (как правило, у одного производителя имеется один вид подобного пластификатора в предлагаемом ассортименте), и дороги. В работе , предлагается увеличивать продолжительность сохраняемости подвижности бетонной смеси путем периодического введения пластификаторов. Данный способ, с одной стороны, не требует использования дорогих суперпластификаторов, но сложен с точки зрения контроля введения добавок.Еще одним из вопросов косвенно связанных с сохраняемостью подвижности бетонной смеси является необходимость определения сроков схватывания бетонных смесей
, для предотвращения образования холодных швов в монолитных конструкциях. Методы определения сроков схватывания бетонных смесей трудоемки в связи с необходимостью рассеивания через стандартное сито 5 мм. бетонной смеси. Увеличение времени сохраняемости бетонной смеси возможно различными способами, но в основном для этого используются различные добавки модификаторы бетона и бетонных смесей , . На основе вышеизложенного, авторами было решено рассмотреть сохраняемость бетонной смеси в условиях знакопеременных температур, приготовленных с использованием суперпластификаторов и противоморозных добавок, с последующей оценкой их эффективности по критерию энергии активации.2. Методы и принципы исследования
Работы были проведены на базе лаборатории ООО «Казанский ДСК», на основе используемых материалов и составов в производстве. Исследования проведены на товарном бетоне класса В25F75W4 (далее ТБ), в двух вариантах добавок – суперпластификаторе (СП) и противоморозной добавке (ПД) (суперпластификатор используемый в летний период - СП, противоморозная добавка в зимний период – ПД)
. Составы приведены в таблице 1.Таблица 1 - Составы товарного бетона
Наименование материала | Расход материалов кг. На 1 м3 бетона | ||
Контрольный | Летний ТБ | Зимний ТБ | |
1 | 2 | 3 | 4 |
Цемент ЦЕМ I 42.5 | 330 | 330 | 350 |
Гравий | 1090 | 1090 | 1090 |
Песок обогащенный | 740 | 740 | 720 |
Песок речной | 100 | 100 | 100 |
Добавка СП | - | 2,97 (0,9 % от массы цемента) | - |
Добавка ПД | - | - | 3,15 (0,9 % от массы цемента) |
2.1. Характеристики заполнителей для товарного бетона
Песок обогащенный:
Модуль крупности – 2,53;
Плотность в сухом состоянии – 1520 кг/м3;
Содержание пылевидных частиц – 0,8%.
Песок речной:
Модуль крупности – 1,75;
Плотность в сухом состоянии– 1480 кг/м3;
Содержание пылевидных частиц – 2,8%.
Гравий фр.5-20:
Марка по дробимости – 1000;
Плотность в сухом состоянии – 1540 кг/м3;
Содержание пылевидных частиц – 0,9%.
Выбрав оптимальный базовый состав – исследовали влияние температуры выдержки на сохраняемость подвижности бетонной смеси при положительных и отрицательных температурах, в том числе сделан вывод по действию данных пластификаторов на кинетику набора прочности, пластичности смеси, расслаиваемости и т.д.
Для определения зависимости сохраняемости подвижности бетонной смеси от температуры выдержки были изготовлены идентичные лабораторные замесы объемом 7л. В процессе исследования добавки вводились в бетонную смесь вместе с водой затворения. Для некоторых составов при снижении осадки конуса в интервале 6-10 см., осуществлялось дополнительное введение добавки в количестве 0,1% от массы цемента, для восстановления подвижности бетонной смеси и увеличения времени сохраняемости, в зависимости от скорости снижения подвижности бетонной смеси, время введения добавок различно.
Требуемая марка по удобоукладываемости бетонной смеси: подвижность П5 (осадка конуса 22-24 см.).
3. Основные результаты
После приготовления бетонная смесь, помещалась в климатическую камеру СМ -55/50-12 МАС при температурах: +25, +20, +10, 0, -15 оС и выдерживалась до 8 часов. В зависимости от температуры выдержки, интервалы определения подвижности и отбора образцов для определения прочности бетонной смеси составили от 1 до 2 часов, первоначальные характеристики определены через 15 минут после приготовления. На рис. 1-2 представлены графики изменения осадки конуса в зависимости от температуры и времени выдержки. Контрольный образец выдерживался при температуре + 20 оС и является бездобавочным, по требованиям ГОСТ 30459-96 добавки для бетонов Методы определения эффективности, а также для разработки методики оценки эффективности добавок с испытаниями при нормальных условиях.
Рисунок 1 - Изменение осадки конуса с выдержкой при положительной температуре на суперпластификаторе
Рисунок 2 - Изменение осадки конуса с выдержкой при отрицательной температуре на противоморозной добавке
На рис. 3 и 4 представлено изменение прочности бетона в возрасте 28 суток.
Рисунок 3 - Изменение прочности товарного бетона с выдержкой при положительной температуре на суперпластификаторе
Рисунок 4 - Изменение прочности товарного бетона с выдержккой при отрицательной температуре на противоморозной добавке
4. Обсуждение
Из рис. 3 и 4 видно, что сохранение прочности бетона при длительной выдержке достигается при температуре -15 оС. Разница в прочности между товарным бетоном на суперпластификаторе и противоморозной добавке достигает 10 МПа в пользу бетона на зимней добавке, прочность бездобавочного бетона ниже на 10-20 МПа. При температурах от 0 до +25 оС кинетика снижения прочности товарного бетона на графиках различается во временных интервалах.
Для оценки изменения скорости снижения прочности товарного бетона проведен регрессионный анализ рис. 3 и 4 (обозначены пунктиром). На основе регрессионного анализа определены скорости снижения прочности по формуле:
где: – прирост прочности,
– прирост времени.
Формула 1 справедлива для систем, где, при химической реакции концентрация исходных веществ уменьшается. По нашему мнению, данная формула может быть применена в первом приближении (без учета других факторов и процессов, происходящих при твердении цемента), поскольку при твердении клинкерные минералы расходуются, а добавка пластификатор является компонентом влияющей на скорость процесса. Полученные данные представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Изменение скорости снижения прочности товарного бетона в зависимости от температуры и вида добавки
Температура выдержки бетонной смеси, оС | Бетон на СП | Бетон на ПД | Контрольный состав |
1 | 2 | 3 | 4 |
+25 | -1,71 | - | - |
+20 | - | - | -2,68 |
+10 | -1,57 | - | - |
0 | - | -1,80 | - |
-15 | - | -0,24 | - |
Примечание: cуперпластификатор, противоморозная добавка
Знак минус в таблице 2 говорит об уменьшении концентрации реагирующего вещества, по нашему мнению, уменьшается концентрация добавок. Если расположить полученные скорости по возрастанию относительно температуры выдержки получим:
-15, +10, 0, +25, +20 оС
Наибольшая скорость снижения прочности товарного бетона от выдержки наблюдается у контрольного состава (температура +20 оС), поскольку в составе отсутствует добавка пластификатор. При температурах выдержки 0 и +10 оС скорости близки, но выбиваются из общего ряда. Причиной меньшей скорости реакции при выдержке +10 оС по отношению к 0 оС возможно является более раннее введение добавки пластификатора, для сохранения подвижности бетонной смеси.
Для оценки влияния добавки пластификатора на скорость снижения прочности при выдержке, рассчитаем температурный коэффициент реакции по правилу Вант-Гоффа по формуле:
где: γ – температурный коэффициент реакции, ν – скорость реакции, t – температура.
Температурный коэффициент реакции по правилу Вант-Гоффа рассчитан относительно контрольного состава и приведен в таблице 3.
Таблица 3 - Температурный коэффициент реакции в зависимости от температуры выдержки и вида добавки
Темература, оС | -15 | 0 | 10 | 25 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Температурный коэффициент реакции | 1,99 | 1,22 | 1,71 | 0,41 |
5. Заключение
При сравнении данных из таблицы, можно сделать вывод о том, что противоморозная добавка лучше сохраняет подвижность бетонной смеси, при длительной выдержке, что благоприятно сказывается на прочности бетона, поскольку температурный коэффициент реакции значительно выше, чем у летнего пластификатора. Высокий температурный коэффициент реакции говорит о более высокой энергии активации, а значит пленка адсорбированного пластификатора на поверхности зерен цемента обладает более высокой стойкостью к разрушению при твердении. Коэффициенты реакции для температур 0 и 10 оС показывают что для противоморозной добавки восстановление подвижности не желательно, поскольку энергия активации уменьшается и наоборот, восстановление подвижности суперпластификатором оказывает положительное влияние, энергия активации растет.
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Предложенный метод испытания позволяет, выбирать добавки для товарного бетона по критерию энергии активации.
2. При сравнении использованных добавок: суперпластификатор допускает восстановление подвижности, при необходимости. Противоморозная добавка эффективна, и не требует восстановления подвижности.
3. Для работы в летний период желательно выбрать более эффективный суперпластификатор.