Добавка в бетон при низких температурах: Добавки в бетон при минусовых температурах: особенности заливки

Противоморозные добавки в бетон — как использовать при минусовых температурах

Промышленное строительство не прекращается в холодное время года, но затвердевание бетона при отрицательных температурах проблематично. Кристаллизация воды приводит к снижению прочности, что негативно сказывается на качестве конструкций. Решить проблему поможет применение противоморозных добавок в бетон, широкий выбор которых сегодня предлагает промышленность.

Принцип действия

Использование противоморозных добавок позволяет заливать строительные растворы при температурах до -50ºС. Они представляют собой жидкие или порошкообразные составы, добавляющиеся в смесь. Важно знать, что присадки к бетону, добавляемые при морозе, обеспечивают твердение всего на 30%. Окончательное отвердевание происходит после размораживания монолита.

Существует несколько типов противоморозных добавок, отличающихся по принципу действия:

• Составы, понижающие температуру замерзания жидкости, в результате процесс гидратации цемента продолжается, схватывание идет по стандартному механизму;
• Присадки на основе сульфатов ускоряют уплотнение бетона, при этом выделяется избыточное тепло, повышающее скорость гидратации цемента;
• Комплексные добавки повышают растворимость и активность цементного молочка, при этом соединения, появляющиеся в результате реакции с водой, снижают температуру ее кристаллизации.

Разновидности

Существуют различные антиморозные добавки, каждая из которых имеет свой механизм воздействия. Популярная присадка – карбонат натрия, иначе именуемый поташ. Это порошкообразный кристаллический состав, ускоряющий затвердевание бетонной смеси. Применение присадки такого типа снижает технические характеристики материала, в том числе прочность. Чтобы уменьшить этот эффект в поташ добавляют тетраборат натрия.

Внимание! Поташ относят к опасным веществам, поэтому при работе с ним соблюдают требования безопасности.

Тетраборат натрия комплексное вещество, состоящее из солей натрия и кальция, с добавкой аммония. Это дополнительная противозамерзающая присадка, применяемая с карбонатом натрия. Без нее конструкция может потерять до 30% прочности после оттаивания и полного отвердевания.

Нитрит натрия – эффективная противоморозная добавка, снижающая температуру кристаллизации воды, ускоряет затвердевание состава, обладает антикоррозионным действием. Его применение опасно, поскольку порошок нитрита натрия – пожароопасное, взрывоопасное, токсичное вещество. Применяется при морозах до -25ºС. Не может смешиваться с лигносульфоновыми кислотами, поскольку при взаимодействии с ними выделяет токсичный газ. Аналогичными свойствами обладает нитрит-нитрат кальция.

Формиат натрия – противоморозная добавка для бетона, снижающая температуру кристаллизации воды и ускоряющая гидратацию цемента. Добавляется в пропорции не более 6% от общей массы бетона. Для улучшения пластификации в присадку добавляется лигносульфонат нафталина.

Мочевина – ПМД, продлевает жидкую фазу воды, практически не влияет на скорость схватывания.

Хлориды кальция и натрия, аммиачная вода снижают температуру замерзания, но обладают повышенным коррозионным воздействием. Они сильно влияют на металлические элементы, поэтому не рекомендуются для использования в железобетонных изделиях.

Как использовать

Выбор присадки и способ ее применения зависит от условия и материала, куда она будет введена. Любые добавки в бетон, применяемые при минусовых температурах вводятся в раствор с водой, по инструкции от производителя. После тщательного перемешивания рекомендуется подождать некоторое время, чтобы этот компонент диффундировал в составе.

Согласно СП 70.13330.2012 для достижения составом нужной прочности, важно, чтобы до того момента, когда температура состава достигла отметки, на которую рассчитана присадка, он набрал не более 20% от запланированной прочности.

Расход противоморозной добавки на 1 кубический метр материала зависит от среднесуточной температуры окружающего воздуха. До -5 градусов рекомендовано добавлять до 2% присадки от массы раствора, до -10 градусов этот показатель возрастает до 3%, до -15 градусов не более 4%. При сильных морозах расчет производится индивидуально по каждому типу. Скорость затвердевания раствора снижается, а максимальная прочность достигается после окончания морозов.

При добавках пластификаторов и ПМД, необходимо соблюдать определенные правила работы. Рекомендованный диапазон заливаемого раствора – в пределах от +15 до +25ºС. Для растворения присадок требуется определенное количество воды, которая должна быть подогрета, это обеспечивает полное растворение веществ. Песок и щебень, применяемые в растворе, тоже подогреваются непосредственно перед добавлением. Цемент подогревать нельзя, поскольку он потеряет свои вяжущие свойства. Залитый раствор нужно укрыть, особенно это актуально при снегопаде.

Преимущества и недостатки присадок

Главным преимуществом бетона с противоморозными добавками является возможность выполнения работ круглый год. Подобранные в правильной пропорции, они улучшают адгезию компонентов, повышая качество раствора. У них есть и другие плюсы:

• повышение срока эксплуатации за счет уплотнения бетона;
• повышают пластичность смесей, облегчая работу с ними;
• повышается морозоустойчивость готового бетона, что важно для элементов несущих конструкций;
• применение ПМД – самый дешевый способ заливки при отрицательных температурах;
• применение добавок уменьшает усадку при застывании, сохраняя целостность конструкции;
• противоморозные добавки заполняют поры бетона, тем самым существенно повышая его водонепроницаемость;
• некоторые составы существенно повышают коррозионную устойчивость монолита, продлевая срок службы конструкций, зданий и сооружений в разы.

Использование противоморозных добавок имеет и свои недостатки. При неправильном применении снижаются прочностные характеристики бетона, поэтому при работе необходимо строго придерживаться инструкций. Некоторые присадки являются пожароопасными и ядовитыми, что необходимо учитывать при работе с ними. Даже с добавками, при морозах скорость твердения будет относительно низкой. Чтобы достигнуть нужной прочности при укладке зимой требуется большее количество цемента, что удорожает строительство.

Антиморозные добавки своими руками

В частном строительстве, если не удалось провести все работы в теплое время года, приходится продолжать в зимний период. Поэтому допускается приготовление противоморозных добавок для бетона своими руками в домашних условиях. Для этого понадобится только поваренная соль или хлорид натрия. Такая присадка снижает температуру замерзания воды и уменьшает время критичного затвердевания смеси.

Чтобы сделать противоморозную добавку в бетон своими руками, соль растворяется в воде и добавляется в раствор. Концентрация до -5 градусов составляет 2% от массы раствора, до -15 градусов, массовая доля хлорида достигает 4%.

Недостатком этой добавки является коррозионная активность по отношению к металлу, поэтому она не подходит для железобетонных конструкций. Нужно учитывать, что скорость затвердевания раствора при отрицательных температурах будет, в среднем, в 3 раза ниже, чем в обычных условиях.

Противоморозные добавки в бетон для прочности и быстрого схватывания: особенности зимнего бетонирования

Особенности строительства в зимний период

Зимнее строительство считается более сложным из-за свойств бетона. В его состав входит вода, которая является обязательным компонентом такого важного процесса, как гидратация цемента. В ходе гидратации формируется окончательная структура бетона, он набирает свою прочность. Данный процесс может происходить только при плюсовых температурах: если вода замерзает, гидратация останавливается. И напротив, чем выше температура воздуха, тем быстрее идет процесс упрочнения бетона.

• Оптимальные условия для гидратации – температура воздуха 18-20С. В таких условиях бетон достигает необходимой прочности за 28 дней.
• Гидратация заметно замедляется при температуре ниже +10С. Так, при +5С бетон за 28 дней наберет лишь 70% необходимой прочности.
• При температуре ниже нуля вода, входящая в состав бетона, замерзает, и процесс гидратации останавливается.

Дополнительной сложностью в строительстве в зимний период является поддержание температуры самого бетонного раствора. Чтобы сохранять пластичность и способность к качественному уплотнению, раствор после смешивания должен иметь температуру не ниже 20-30С, а при укладке – не ниже +5С.

Таким образом, при низких температурах формирование качественной бетонной структуры значительно осложняется. Потому зимой на помощь строителям приходят технологии, способные снизить или полностью нивелировать воздействие холодов на процесс бетонирования.

Стоит отметить, что существует несколько способов работы с бетоном в условиях низких температур. Но большинство из них применимы лишь при крайне небольших объемах частного строительства (бани, хозяйственные постройки). Такие технологии, как создание термосного эффекта или длительное принудительное прогревание бетонной конструкции во время затвердевания и др., очень трудоемки, затратны и, как правило, невозможны при строительстве домов и других крупных объектов. Кроме того, учитывая наличие широкого спектра противоморозных добавок, иные способы поддержания температуры бетона оказываются нецелесообразными.

Добавки для повышения морозостойкости бетона работают комплексно: снижают температуру замерзания влаги, ускоряют процесс затвердевания бетона и помогают ему быстрее набрать прочность. Добавки в бетон — наиболее эффективный способ продолжить цикл бетонных работ при минусовых температурах.

Зимнее бетонирование с добавками Sika

Учитывая продолжительные периоды низких температур, которые в разных регионах нашей страны могут длиться до нескольких месяцев, применение противоморозной строительной химии не просто оправдано, а необходимо. В «зимней» линейке швейцарского концерна Sika есть все необходимые виды добавок в бетон, которые помогают сохранять свойства раствора и продолжать строительство бетонных и монолитных конструкций в холодное время года:

• Sika®Antifreeze N9 – добавки-антифризы для бетона со свойствами ускорителя твердения и пластификатора. Добавка обеспечивает быстрое твердение и набор прочности бетона при минусовой температуре. Кроме того, состав повышает плотность и прочность бетона и не оказывает вредного воздействия на арматуру ввиду отсутствия агрессивных компонентов.
• Ускоритель твердения бетона Sika® Antifreeze FS-1 увеличивает количество выделяемого бетоном тепла и ускоряет начало процесса схватывания раствора. Применение этой добавки позволяет бетону быстро набрать начальную прочность, на которую не влияют минусовые температуры.
• Sika® Antifreeze Plast – противоморозный пластификатор. Состав ускоряет набор прочности бетона, обеспечивает его затвердевание при отрицательных температурах. Кроме того, повышает пластичность бетонной смеси, прочность и водонепроницаемость конструкции.

Высокое качество для безупречного результата

Продукция Sika производится одним из лидеров рынка строительной химии, швейцарским концерном, который имеет свои заводы в России. Благодаря международным стандартам качества и строгому контролю на всех этапах производства «зимние» добавки в бетон для прочности от Sika обеспечивают непрерывность строительства в зимний период и повышают свойства бетонного раствора.

Преимущества противоморозных добавок Sika:

1. Они позволяют вести бетонирование практически при любых минусовых температурах. Рабочий диапазон – до -25С.
2. Их применение значительно ускоряет скорость затвердевания бетона. Процесс набора прочности не затягивается даже в сильные морозы. С конструкции, изготовленной с применением добавок Sika, можно без дефектов и сколов снять опалубку через небольшой промежуток времени после заливки.
3. Добавки улучшают структуру бетона, повышают его прочность, влагонепроницаемость, защищают от коррозии металлические элементы конструкции.
4. Добавки Sika экономичны в использовании и снижают расход цемента. Это позволяет уменьшать стоимость строительства без потери качества и прочности конструкции.

Высокое европейское качество добавок Sika обеспечит непрерывность вашего процесса строительства при любых внешних температурах и гарантирует долгий срок эксплуатации возведенного объекта.

советы по выбору и возможные виды

Бетон — это универсальный стройматериал, который используют для различных целей: от строительства дома до возведения декоративных элементов приусадебного участка. Это практический, незаменимый, экономный, удобный материал. У него есть некоторые недостатки. Подверженность воздействию низких температур — один из главных минусов. Бетон в мороз может менять форму, растрескиваться, крошится. Выходом из ситуации становятся добавки, повышающие морозостойкость бетона, позволяющие проводить строительные работы в холодное время года.

Современные антифризные добавки снижают температуру замерзания воды от 0 до -15 градусов. Использовать присадки нужно по инструкции. Неконтролируемое применение приносит вред конструкции, вызывает нежелательные последствия. При морозе нужно вводить добавку в правильном количестве, чтоб избежать замерзания, нежелательных последствий. Замерзшие бездобавочные смеси подвергаются большему риску.

Преимущества применения

• жидкость, присутствующая в смеси, замерзает при более низких температурах, чем обычно, позволяя раствору схватится;
• раствор становится более пластичным — легче формировать отдельные части конструкции;
• арматура в железобетонных конструкциях не окисляется благодаря ингибиторам коррозии, присутствующим в присадках;
• повышается водонепроницаемость железобетона;
• смесь становится прочной за более короткое время.

Бетон застывает быстрее в мороз — одно из преимуществ.

После присоединения добавки в раствор, смесь становится более плотной благодаря насыщению микропор в бетоне карбонизированной гидроокисью кальция, ее становится легче залить в форму. Крепость конструкции повышается в два раза. Достаточно 18 часов для полноценного застывания бетонной конструкции. Извлечение проходит без нарушения целостности бетона. Качественные ПМД не допускают появления «соли» на поверхности.

Использование антифризных добавок позволяет:

• замешивать раствор бетоном низкого класса, снижая материальные расходы;
• делать тоньше слои бетона, не рискуя качеством конструкции (благодаря повышенной прочности) — экономится раствор;
• бетону не понадобится обработка гидроизоляционными средствами.

Вернуться к оглавлению

Где используют?

Противоморозные присадки применяют при возведении конструкций:

• монолитных железобетонных;
• с нерасчетной арматурой, слоем раствора больше полуметра;
• преднапряженный железобетон;
• легкий бетон;
• смесь для штукатурки;
• дорожки;
• мосты;
• платформы добывания нефти, газа;
• плотины, дамбы.

Перед добавкой антифриза проводят испытание, определяющее:

• окисляющее воздействие на бетон;
• образование «солей»;
• быстроту схватывания;
• прочность.

Вернуться к оглавлению

Виды добавок

Качественные присадки для бетонного раствора позволяют ему твердеть при сильных морозах до 35 градусов. Присадки делятся (по химическому воздействию): суперпластификаторы, ускорители, регуляторы подвижности, повышающие морозоустойчивость, модификаторы, комплексные.

Вернуться к оглавлению

Пластификаторы

Пластификаторы — сульфат нафталина, сульфат меламиновой смолы, органические полиакрилаты. Имеют пластифицирующее воздействие на раствор. Не требует большого расхода воды. Делает раствор более прочным, влагонепроницаемым, концентрированным. Смесь легче укладывается — ее можно залить равномерным слоем. Экономит энергозатраты, воду. Применение пластификаторов позволяет качественно выложить смесь в форму, без формирования пустот. Микрочастицы бетонного раствора лучше удерживают влагу.

Вернуться к оглавлению

Упрочняющие

Ускорители твердения — сульфат алюминия, сульфат железа, нитрат кальция, хлорид кальция. Действуют, сокращая время затвердения раствора. Схватываясь, бетон теряет пластичность, затвердевая — приобретает прочность. Их действие рассчитано на первые три дня высыхания. В этот период добавка имеет самый высокий уровень эффективности. Классовая прочность бетона также увеличивается.

Вернуться к оглавлению

Регуляторы подвижности

Вещества, позволяющие продлить период пользования готовым раствором в условиях повышенной температуры воздуха, перевозок.

Вернуться к оглавлению

Морозоустойчивые

Морозоустойчивые добавки позволяют проводить строительные работы при минусовых температурах.

Виды антифриза :

• П — карбонат кальция повышает скорость отвердения при тридцати градусах мороза;
• НК — нитрат кальция;
• М — мочевина;
• М НК — смесь нитрата кальция вместе с мочевиной;
• ХК — результат соединения соляной кислоты, кальция. Вызывает окисление метала, не используется для создания армированных бетонных конструкций.

Вернуться к оглавлению

Коррозионностойкие

Модификаторы используют для защиты бетонных сооружений от окисления, морозов. Благодаря добавкам, они дольше служат.

Вернуться к оглавлению

Комплексные

Бетоны могут улучшать в разных направлениях сразу несколькими добавками. ПМД комплексного действия повышает эксплуатационные характеристики, положительно влияет на арматуру, упрочняет железобетонное сооружение.

Вернуться к оглавлению

Советы по выбору

Выбирая добавки противоморозного действия, учитывают метод, обстоятельства эксплуатации бетонной конструкции, температуру окружающей среды, марку, состав цемента, качество присадки. Оптимальными считаются ПМД, используемые специалистами больше всего:

• поташ (7% концентрацией) подходит портландцементам;
• нитрит натрия;
• хлористый натрий используют для модификаций быстрого затвердения.

Выбирая ПМД, нужно обращать внимание на опыт, имидж производителя, отзывы, чтоб избежать покупки некачественного товара.

Добавка в бетон морозостойкая (для морозостойкости)

Морозостойкие добавки в бетон – это специальные составы, которые тем или иным образом способны сделать бетон пригодным для работы при минусовой температуре без потери основных технических характеристик. Современные производители предлагают множество противоморозных добавок, которые выполняют определенные функции и тем или иным способом решают проблему невозможности заливать обычный бетон при температуре ниже +5 градусов.

Бетон является универсальным строительным материалом, который сегодня используется в самых разных сферах. Заливка разнообразных конструкций и выполнение элементов, строительство зданий и других объектов – все эти работы осуществляются круглогодично, поэтому возможность использовать раствор при минусовых температурах очень важна.

Обычный раствор при температуре ниже +5 градусов перестает схватываться и застывать, а даже если реакция и проходит, то с повреждением внутренних кристаллических связей и существенным ухудшением свойств материала. Так, залитый на морозе бетон может покрываться трещинами, сколами, менять форму, крошиться и деформироваться.

Оптимальные условия для правильного схватывания и застывания бетонного раствора – это температура в районе +20 градусов и высокая влажность. Если же есть необходимость осуществлять работы с бетонной смесью в мороз, важно использовать специальные присадки. Особенности применения составов указываются в инструкции, работы проводятся по правилам, указанным в ГОСТах и СНиПах.

Преимущества применения

Любая добавка в бетон морозостойкая призвана дать возможность замешивать и заливать смесь при минусе без риска замирания процесса схватывания/застывания и ухудшения характеристик монолита.

Основные достоинства противоморозных присадок:

• Повышение уровня пластичности готового раствора – с ним легче работать.
• Отсутствие риска коррозии арматуры в железобетонной конструкции за счет ингибиторов коррозии, которые есть в добавках.
• Жидкость в бетонном растворе замерзает при значительно более низких температурах в сравнении с бетоном без присадок.
• Значительное повышение водонепроницаемости.
• Набор прочности при морозе происходит активнее.
• При условии верного подбора добавок они способны улучшать адгезию компонентов в растворе, что положительно сказывается на качестве смеси.
• Продление срока эксплуатации благодаря уплотнению бетона.
• Застывший бетон в конструкции более морозостойкий в сравнении с обычным монолитом.
• Уменьшение процента усадки в процессе застывания при полном сохранении целостности всей конструкции.

Работы с бетоном можно выполнять круглый год, не останавливая производство на 6 месяцев, когда существенно понижается температура окружающей среды. Из недостатков добавления присадок в цемент стоит отметить такие: чрезвычайная важность верного применения добавки (точные пропорции при добавлении, особенности работы) и возможность при несоблюдении технологии ухудшить характеристики бетона, некоторые добавки являются ядовитыми и пожароопасными.

Также стоит помнить о том, что при отрицательных температурах даже при условии введения противоморозных добавок бетон твердеет медленнее (кроме случаев применения ускорителей), а для достижения положенной прочности в работах в зимний период нужно брать больше цемента (что существенно повышает стоимость ремонтно-строительных работ).

Где используют

Любая добавка в бетон для морозостойкости – это настоящая находка для современного строительства. Присадки используются в самых разных ситуациях там, где нужно выполнить работы при низких температурах не в ущерб качеству.

Где применяют противоморозные добавки для бетона:

• При заливке монолитных железобетонных конструкций, частей зданий.
• В преднапряженном железобетоне.
• С нерасчетной арматурой, где слой раствора должен быть больше 50 сантиметров.
• В легких типах бетонов.
• Для замешивания штукатурных смесей.
• При заливке дорожек и разных поверхностей частного домостроения.
• При выполнении важных конструкций и сооружений – мосты, плотины, дамбы, платформы добывания газа, нефти и т.д.

Независимо от сферы применения, до начала работ с бетоном обязательно проводят испытания для определения уровня прочности, скорости схватывания, особенностей окисляющего воздействия на бетонную смесь, наличие «солей» и т.д.

Присадки в бетон добавляют самые разные – все зависит от материала, условий проведения работ и будущей эксплуатации. Все виды присадок вводятся в раствор с водой, в соответствии с инструкцией. Потом смесь тщательно перемешивают, выжидают определенное время и используют.

СП 70.13330.2012 указывает, что для приобретения составом необходимого уровня прочности нужно, чтобы до момента достижения температурой состава отметки, указанной на присадке, смесь набрала минимум 20% запланированной прочности.

Обычно расход добавок на кубический метр раствора зависит не столько от вещества, сколько от среднесуточной температуры окружающей среды. Так, при температуре до -5 рекомендуют добавить не больше 2% присадки от веса раствора, при -10 градусов можно 3%, при -15 – максимум 4%. Если морозы очень сильные, рассчитывают в индивидуальном порядке.

Для улучшения результатов рекомендуют придерживаться таких правил: температура заливаемого раствора должна быть от +15 до +25 градусов, присадки растворяют в подогретой воде, предварительно прогревают также щебень и песок, но не цемент.

Виды добавок

Качественные присадки для работы при отрицательных температурах позволяют работать с бетоном на морозе до -35 градусов. Видов присадок множество – это могут быть ускорители, пластификаторы, регуляторы подвижности, модификаторы, комплексные вещества. Их можно приобрести в готовом виде или сделать самостоятельно. Второй вариант более рискованный, так как точных рецептов и свойств разных веществ с эффектом антифриза точно не известно.

Многие мастера используют обычную соль (хлорид натрия) – она понижает температуру замерзания жидкости, понижает время критичного затвердевания раствора. Для приготовления такой добавки соль растворяют в воде, вводят в смесь. Для -5 градусов концентрация составляет 2% от массы раствора, -15 – 4%. Минус данного решения – коррозионная активность в отношении металла, поэтому железобетонные конструкции заливать такой смесью нельзя.

Пластификаторы

В качестве пластификаторов используют органические полиакрилаты, сульфат меламиновой смолы или нафталина. Данные присадки обладают пластифицирующим действием на смесь, большого расхода воды не предполагают. Монолит становится более водонепроницаемым, прочным, концентрированным (плотным).

Смесь с добавкой намного проще укладывается, заливается равномерно, существенно экономя воду и энергозатраты. Благодаря введению в состав пластификаторов удается смесь качественно укладывать в формы, исключать вероятность образования пустот. Микрочастицы смеси эффективнее удерживают влагу.

Упрочняющие

Такие добавки для бетона называют еще ускорителями твердения – в группу входят нитрат и хлорид кальция, сульфат железа и алюминия. Присадки работают, уменьшая время твердения смеси. В момент схватывания бетон теряет пластичность, а в процессе затвердевания становится прочным.

Воздействие добавок происходит в первые 3 дня застывания бетона – добавка наиболее эффективна именно в этот период. Также удается повысить прочность бетона по классу.

Регуляторы подвижности

Это специальные вещества, которые дают возможность продлить период работы с готовым уже раствором. Делятся на 2 типа: добавки, которые вводятся в минимальных объемах и регулируют характеристики (0.1-2%) и тонкомолотые лигатуры (5-20%) для сокращения расхода цемента и без изменения свойств.

Особенности применения регуляторов подвижности:

• Самые эффективные – химические пластификаторы и суперпластификаторы.
• Присадки повышают подвижность растворов, понижают водопотребность.
• Лигатуры одного и того же класса могут по-разному влиять на раствор.
• Лучшими считаются суперпластификаторы, которые: повышают строительно-технологические свойства смеси, увеличивают подвижность раствора, понижают расход цемента.

Морозоустойчивые

Данные присадки позволяют осуществлять работы при отрицательных температурах без изменения технологии и ухудшения характеристик бетонного раствора.

Главные виды морозоустойчивых добавок:

• НК – нитрат кальция, оказывает влияние на скорость затвердевания раствора.
• П – поташ, карбонат кальция, который способен ускорить твердение раствора при -30 градусах.
• М – мочевина.
• ХК – сочетание соляной кислоты, кальция, которое окисляет металл, поэтому не применяется в железобетоне.
• М НК – сочетание мочевины и нитрата кальция.
• НН, ННК – нитрат натрия и нитрит нитрат кальция, которые ускоряют процесс твердения, обладают антикоррозийным воздействием, но ядовиты (требуют применения средств индивидуальной защиты).

Коррозионностойкие

Данные модификаторы используют там, где нужно защитить железобетонные конструкции от окисления, что существенно продлевает срок их службы, препятствует разрушениям и негативному воздействию внешних факторов.

Комплексные

Есть добавки, которые оказывают сразу несколько эффектов на бетонную смесь – могут одновременно положительно влиять на арматуру и защищать ее, улучшать эксплуатационные свойства бетона, повышать прочностные характеристики железобетонной конструкции.

Советы по выбору

При выборе присадок в бетон учитывают обстоятельства эксплуатации будущей конструкции, условия заливки, используемый метод работ, марку и состав цемента, температуру окружающей среды, качество присадки и т.д. Чаще всего выбирают такие вещества, как: хлористый натрий для быстрого затвердевания, нитрит натрия, поташ для портландцемента.

Обычно присадку выбирают по действию и потребностям – после тщательного изучения свойств конкретной добавки выбирают ту, что отвечает условиям и требованиям. В особых случаях обращаются к специалистам.

Особенности выбора вещества:

• В конструкциях с ненапрягаемой арматурой сечением больше 5 миллиметров можно применять любые добавки, кроме тех, что вызывают коррозию.
• Если сечение арматуры меньше 5 миллиметров, нельзя применять ХК, НН и ХК.
• Когда есть выпуск арматуры и закладные элементы, а сталь без защиты, подойдут НКМ, П, НН, НК, СН. При условии наличия у стали комбинированного покрытия запрещено использовать ХК и НН.
• При условии эксплуатации с постоянным погружением бетонной конструкции используют все типы добавок.
• СН, НК, НКМ, НН подходят для условий переменного влияния на конструкцию агрессивных вод.
• Для конструкции, эксплуатируемой в агрессивной газовой среде постоянно, не применяют ХК.

Противоморозные добавки в бетон позволяют проводить работы в любых условиях без ущерба качеству и прочности монолита. При условии верного выбора присадки и соблюдения технологии удается добиться высоких результатов.

Зимний бетон: добавки пмд, прогрев конструкций

Основной проблемой осуществления зимнего бетонирования считается низкая температура воздуха, при которой замерзают используемые строительные материалы. Поэтому необходима эффективная технология предотвращения этого процесса.

Требования к процессу бетонирования определены строительными нормами и правилами, по которым температура менее 5С относится к зимнему периоду.

Особенности зимнего бетонировани

Осуществляемая укладка бетонного раствора зимой усложняется из-за следующих причин:

1. При низкой температуре начинается замедление гидратации цемента, поэтому период набора прочности бетона возрастает.
2. Рост давления в бетоне начинается из-за замерзшей расширяющейся воды, что в результате вызывает его разупрочнение.

Образующиеся ледяные корки нарушают связанные между собой компоненты раствора. Уменьшение прочности зависит от точного возраста бетона и произошедшего замерзания воды. Самым опасным считается период схватывания свежей залитой смеси, ведь прочность появляется из-за ее замерзания. При возрастании температуры цементная гидратация начинается снова. При этом по прочности бетон серьезно уступает не замороженному раствору.

Устоять перед разрушением структуры может качественный зимний бетон, набравший определенный уровень прочности. Очень важно соблюдение беспрерывной укладки готовой смеси, что не позволяет появиться холодным швам.

В Москве в строительстве самым популярным методом бетонирования стала защита бетона от вероятного замерзания при происходящем схватывании, а также наборе критической прочности, составляющей 50% от усиленной марочной. В более серьезных конструкциях обустраиваемый бетон защищается от замерзания почти до 70% от величины проектной прочности.

Сегодня используются следующие методы зимнего бетонирования:

• введение в состав разработанных противоморозных добавок или химических веществ;
• тщательное укрытие смеси утеплителями;
• разные виды прогрева поверхности бетона.

Применение добавок противоморозного действия

Сегодня самым удобным способом защиты бетонирования зимой стало применение разработанных противоморозных добавок. Способ считается более дешевым по сравнению с бетонированием, требующим тщательного утепления конструкции, включая прогрев электричеством или используемыми инфракрасными лучами. Такие специальные добавки применяются самостоятельно или сочетаются с остальными методами подогрева.

1. Добавки для ускорения или замедления схватывания смеси. Например, это электролиты, не электролиты и карбамид, а также многоатомные спирты.
2. Модификаторы, созданные из хлорида кальция и существенно ускоряющие время схватывания бетона.
3. Вещества с антифризными свойствами, которые ускоряют схватывание раствора с усиленным тепловыделением после выполнения заливки. Это трехвалентные сульфаты, созданные из алюминия и добавленного железа.

Многих строителей интересует вопрос о том, можно ли добавлять соль в бетон зимой. Техническая соль не разъедает цемент и считается самой доступной и недорогой противоморозной добавкой, которая обеспечивает непрерывность бетонных работ при низкой температуре воздуха.

Мероприятия увеличивающие эффективность применения противоморозных добавок пмд

Разработанные противоморозные добавки необходимы для ускорения схватывания и твердения бетона. Причем для нормального результата проводится ряд следующих важных мероприятий:

1. Создание участков теплоты внутри бетонного раствора с проведением подогрева его основных компонентов.
2. Утепление поверхности бетона для необходимого сохранения тепла, образующегося при изотермической реакции цемента с добавленной водой.
3. Использование высокомарочных твердеющих цементов.
4. Изготовление смеси из предварительно подогретых компонентов требует иного порядка процесса их загрузки в отличие от летних условий и одновременной загрузки материалов в барабан смесителя. Например, зимой в барабан необходимо заливать горячую воду, затем добавляется выбранный заполнитель, вводятся цементная смесь и песок.
5. Смесь транспортируется в утепленной специальной машине, имеющей двойное днище. Пункт проведения погрузочно-разгрузочных работ защищается от ветра. Заливать бетон необходимо с помощью устройств, которые обязательно утепляются.
6. С опалубки счищаются снег и образующаяся наледь, арматура тоже должна быть обязательно очищена.
7. Зимнее бетонирование проводится в быстром темпе.

Совет! При зимнем выполняемом бетонировании нежелательно применение каких-либо замерзших заполнителей.

Замерзание воды

Серьезным фактором при укладке бетонного раствора является срок замерзания воды, ведь от этого зависит прочность конструкции. Поэтому бетон получится хрупким при замерзании именно в своем раннем возрасте. Причем период схватывания раствора считается самым критичным.

Используемая технология бетонирования в зимних условиях свидетельствует о том факте, что при замерзании бетона практически сразу после размещения в опалубке на величину его прочности повлияет сила мороза. При росте температуры воздуха начнется продолжение гидратации. Но конструкция по свой прочности уступит похожему строению, смесь которого не замерзала при укладке. Но если бетон смог набрать прочность до замерзания, в дальнейшем он может замораживаться без изменений своей структуры и появления дефектов. Предотвращение появления xoлoдныx швoв возможно с помощью непрерывного укладывания смеси.

Метод «термоса»

Технология метода «термоса» состоит в укладке нормальной по температуре смеси в хорошо утепленную опалубку. Бетон становится прочным из-за выделения тепла при происходящей реакции цементной гидратации. Большое количество образующегося тепла выделяется при работе с высокомарочными цементами.

Эффективность «термоса» возрастает при сочетании с используемыми противоморозными добавками и другими веществами.

Бетонирование зимой с помощью «горячего термоса» состоит в подогреве раствора до температуры 60-80 °С. На месте строительства бетонная смесь постепенно разогревается специальными электродами. При этом она является сопротивлением в действующей цепи переменного тока. Электропрогрев осуществляется в специальных бадьях.

Способы искусственного нагрева и прогрева бетона

Для нормальной прочности бетона требуется поддержание высокой температуры подготовленной смеси. Такой способ используется при недостаточности метода «термоса».

Существуют следующие варианты получения необходимого результата:

1. Электродный прогрев бетона, приводящий к токообмену и эффективному нагреву конструкции.
2. Контактный нагрев с применением проводника.
3. Инфракрасный нагрев с помощью излучателей.
4. Индукционный нагрев с применением специальной катушки-индуктора.

Прогрев и нагрев бетона с помощью электричества и инфракрасного излучения

Суть такого метода заключается в нагревании бетона и сохранении тепла до набора необходимой самой высокой прочности конструкции. Чаще всего нагревание осуществляется электрическим током, причем бетон становится сопротивлением в электроцепи. Цель достигается при его постепенном нагревании.

Для нагрева бетона используются следующие виды электродов:

• струнные;
• стержневые;
• полосовые;
• пластинчатые.

Самым подходящим вариантом стали пластинчатые электроды, изготовленные из высококачественного кровельного железа. Они нашиваются на часть опалубки, контактирующую с бетоном. Затем выполняется подключение электродов к электросети. Между ними появляется разность потенциалов, а через бетонную конструкцию течет ток, приводящий к нагреву. В результате цена объекта после прогревания конструкции возрастает из-за особенности такой работы зимой. Понесенные затраты являются полностью оправданными, ведь из-за них предотвращается появление хрупкости бетона, приводящее к разрушению конструкции.

Марки бетона по водонепроницаемости свидетельствуют о степени устойчивости бетона к воздействию влаги. Причем высокий коэффициент свидетельствует о лучшей устойчивости.

Meтoд инфpaкpacнoгo нaгpeвa

При необходимости используется метод специального инфракрасного нагрева. Он основан на трансформации инфракрасных лучей в необходимую тепловую энергию.

Для создания инфракрасных волн необходимы кварцевые и трубчатые виды специальных излучателей, изготовленные из металла. В основном такой способ используется для отогревания промерзших бетонных конструкций и для эффективной тепловой защиты размещенной в опалубке смеси.

Индукционный метод выполняется с помощью катушки, генерирующей выделение тепла в рабочих металлических деталях в зоне своего действия. Такой метод используется для отогревания готовых конструкций и может быть применен для бурения отверстий в прочном бетоне независимо от температуры.

Обогрев конструкций

Конвективный способ равномерного воздушного прогревания конструкций из бетона осуществляется от подведенного снаружи горячего воздуха.

Для этого используется гибкий длинный шланг или специальный прорезиненный рукав. Выработка воздуха осуществляется теплогенератором, запитанным от электросети или функционирующим на дизельном топливе. Но все же рекомендуется использование электрических устройств, ведь при работе дизеля происходит выделение большого объема выхлопных газов.

Эффективный воздушный обогрев применяется после заливки бетона для фундаментов в установленную опалубку в помещении с воздушной циркуляцией, которую усиливает вентилятор для более равномерного распределения прогрева. При этом рекомендовано применение материалов из плотного брезента для создания необходимого тепляка над прогреваемой бетонной конструкцией.

Бетонирование в зимнее время при зимних отрицательных температурах не является сложным делом, ведь при соблюдении положенных правил характеристики прочности созданной конструкции сохраняются на достаточно высоком уровне.

варианты и их особенности, рекомендации специалистов

Строительные работы, особенно при сжатых сроках исполнения, зачастую проводятся в крайне неудобных погодных условиях. Заливка фундамента, его срочный ремонт или формирование бетонного пола – то есть любые действия, подразумевающие готовку и укладку бетонной массы, лимитированы довольно узким диапазоном температурных значений окружающей среды.

Точнее, низкие температуры оказывают немалое влияние на течение процессов структурного схватывания, отвердения и набора бетоном полноценной марочной прочности.

Чтобы разобраться в осуществимости заливки бетона при низких и минусовых температурах, рассмотрим разработанные технологии, призванные предупредить потенциально возможные неприятности.

Специфика бетонного раствора

Комплекс физико-химических свойств бетона обуславливает оптимальную температуру работы с ним. Диапазон составляет от +17,3 до +25,8 градуса. Подходящие условия гарантируют набор заявленной марочной прочности схватившегося и отвердевшего раствора приблизительно через 27–29 суток.

Скорость гидратационного процесса в цементе существенно замедлится при снижении температуры менее +17 С и практически полностью останавливается при +5,2 С. Дальнейшее падение до минусовых значений вызовет замерзание воды, содержащейся в растворе с формированием большего по суммарному объёму ледяного вещества. Появляющиеся силы распирающего (внутреннего) давления ведут к потере плотности и разрыхлению внутренней структуры бетона. Остающаяся монолитность поддерживается только за счёт прочно смёрзшейся влаги.

Когда температура возрастёт, вода начнёт оттаивать и реакция цементной гидратации возобновится с постепенным затвердеванием бетона. Но, последствия предыдущего нарушения структурных связей при заморозке негативно отразится на прочности созданного монолита.

После ряда экспериментальных исследований и специальных расчётов были выявлены критические точки, ограничивающие пределы в которых различные марки бетонных смесей без существенных последствий могли бы замораживаться. Критический уровень прочности, который необходимо набрать бетону для прекращения заметных воздействий на прочностные характеристики возводимой конструкции был зафиксирован на уровне в 50% от показателя марочной прочности.

Посмотрите видео о заливке бетона в зимнее время

В результате, работы по заливке бетонного раствора при низких (отрицательных) температурах сводятся к принятию эффективного комплекса мер, препятствующих замерзанию жидкой воды до времени полноценного набора внутренней критической прочности. Для этого применяются несколько эффективных методик:

— подогрев уложенной смеси;

— изготовление раствора из заранее подогретых компонентов;

— холодное бетонирование составом, содержащим дополнительные химические присадки, уменьшающие точку замерзания;

— утепление опалубки.

Каждый способ имеет своё рациональное применение, что определяется исполнением заявленных характеристик прочности, доступностью и наличием энергоресурсов, а также, объёмом возводимого строения. Однако, метеоусловия являются определяющим обстоятельством при выборе оптимального варианта заливки.

Принять к сведению! Все способы, упомянутые выше, можно применять отдельно (поодиночке) или в комплексе!

Подогрев уложенной бетонной смеси

В создании хороших условий для нормального вызревания бетонной массы при внешних отрицательных температурах помогает электрический ток, подведённый непосредственно к электродам. Особые металлические пластины или стержни погружают в раствор или размещают на поверхности опалубки, подсоединив к различным полюсным контактам источника электротока. Бетон, содержащий достаточное количество воды, замыкает цепь. За счёт наличия собственного сопротивления он преобразует в тепло всю электроэнергию, нагреваясь при этом.

Такая методика существенно сокращает период вызревания бетона, который может приобретать до 78,4% критической прочности уже к 26-дневному возрасту.

Описываемая технология применяется только для малоармированных или вовсе неармированных конструкций. Это, наряду с экономически затратным расходом электричества, является весомым недостатком рассматриваемого способа обогрева раствора.

В частном строительстве, где фундаменты не отличаются объёмностью, будет лучше осуществить прокладку согревающих кабелей по внутренней поверхности опалубочных щитов или по арматурному остову. Одновременно нужно надёжно термоизолировать всю конструкцию, не оставляя возможности теплу «уходить» через стенки.

Внимание! Подогрев бетонной массы требует надлежащего круглосуточного контролирования. Измерения следует делать регулярно, каждые несколько часов. Нельзя допускать нагрева свыше 30 градусов!

Вторым, более современным способом внешнего теплового воздействия, используемым в зимнем строительстве, является применение специальных термоматов. В принципе, это электрогрелки больших размеров, состоящие из герметичной водонепроницаемой оболочки, теплоизоляции и нагревательного элемента.

Согревающие маты способствуют равномерному распространению температурного поля внутри бетона и на окружном расстоянии до 19,5 см. Такие термоматы можно использовать при внешней температуре до –20 градусов.

Бетонирование разогретым раствором (использование собственного тепла)

Такой способ эффективен в применении, если суточные температурные колебания едва опускаются ниже нулевой отметки, а также когда заморозки минимальны (до –4 С). Методика заключается в закладке нагретой бетонной смеси в предварительно подготовленную утеплённую опалубку.

Особенность! В данном случае очень важно грамотно подобрать марку порошкового цемента. Чем выше числовая маркировка, тем меньше времени требуется на схватывание и последующее затвердевание смеси. Будет больше выделяться тепловой энергии при гидратации!

Производить замес нужно на воде, разогретой до 85 градусов (это минимальное значение) и наполнителях, заблаговременно прогретых потоком горячего воздуха.

Здесь, порядок закладки смешиваемых компонентов отличается от обычной технологии:

— заливается вода в бетономешалку;

— добавляется щебень со строительным песком;

— порошковый цемент (комнатная температура) вводится в последнюю очередь, только после трёх (минимум) оборотов бака установки.

Важно! Недопустимо предварительное разогревание цемента, а также его засыпка в очень горячую воду!

В зимний сезон рекомендуется использовать автоматическую бетономешалку с электронагревом рабочего барабана. На выходе, температура приготовленного раствора должна быть 36–46 градусов.

Чтобы бетон нормально набрал критическую прочность, следует дольше сохранять необходимый тепловой режим. Нельзя допускать быстрой потери тепла и скорого остывания раствора. Удерживать тепло можно любыми доступными материалами – соломенные маты, брезент, полиэтиленовая плёнка и т. п.

Самым эффективным вариантом считается применение опалубки из экструзионного пенополистирола. Он обладает небольшим коэффициентом теплопроводности, позволяющим удлинить временной интервал постепенного остывания, что способствует более полноценному вызреванию бетона. Кроме того, пенополистирольная опалубка является несъёмной конструкцией и в дальнейшем будет обеспечивать дополнительную теплоизоляцию.

Холодное бетонирование раствором, содержащим специальные присадки

Противоморозные добавки широко используются для возможности достижения бетонной массой критической прочности при заливке в холодное время. Они помогают нормально протекать гидратационной реакции цемента, нормализуют процесс затвердевания бетона, предотвращая несвоевременное замерзание воды в смеси.

Присадки обладают такими положительными свойствами:

— увеличивают текучесть и подвижность бетонного раствора, облегчая рабочие манипуляции с ним;

— понижают кристаллизационную точку для воды, содержащейся в составе;

— защищают металлические вставки (арматуру) от коррозии;

— способствуют быстрому набору нужной критической прочности.

Существенно! Противоморозные присадки нужно применять лишь при отрицательном значении температуры, в строгой пропорциональности, обозначенной в прилагаемой рецептурной инструкции. Если их использовать в неправильном количестве, то высока вероятность ухудшения свойств бетонного раствора!

Наиболее часто применяемыми противоморозными присадками для бетонных смесей являются:

— нитрит натрия – нельзя добавлять в глиноземистые цементы (ГЦ40 – ГЦ60). Добавка позволяет работать с раствором при окружающей температуре не менее –14,5 градуса;

— поташ и другие составы с монокарбонкислотными солями – ускоряют процесс затвердевания бетона. Они не формируют на поверхности высолов и не потворствуют коррозии металлической арматуры. Допускают работу с раствором при тридцатиградусном морозе, прекрасно сохраняя его важнейшие качества;

— формиат натрия – применяется исключительно в комбинации с добавками-пластификаторами. При других сочетаниях может создавать дефектные пустоты в бетоне из-за образования солевых скоплений;

— хлористый натрий – активно применяется одновременно с портландцементами (сульфатостойкий, белый, с умеренной экзотермией, цветной и др.) Добавка пластифицирует раствор, препятствуя его ускоренному загустению. При этом вещество обладает важным недостатком – действует разрушающе на железную арматуру.

Методика холодного бетонирования обладает некоторыми отрицательными особенностями:

— бетон обладает сниженным показателем водопроницаемости и морозостойкости;

— уложенный в опалубку раствор имеет более высокую степень усадки;

— способ нельзя применять в предварительно напряжённых строительных конструкциях.

Утепление опалубки

Обеспечить благоприятные условия для полноценного набора критической прочности монолитным сооружением можно путём постройки временных тепляков.

Это наиболее надёжная методика, способствующая стабильному поддержанию плюсовой температуры в уложенном бетоне. Она подразумевает создание временной конструкции над залитым массивом.

Тепляк – это прочный каркас, обитый листовой фанерой или обтянутый толстой полиэтиленовой плёнкой (принцип огородной теплицы). Габариты такой времянки должны быть предельно минимальными, но достаточными для работы. Внутреннее пространство нагревается при помощи инфракрасных обогревателей, портативных газовых горелок или калориферов.

Важным моментом здесь является постоянный контроль и регуляция оптимального влажностного режима. Циркулирующие разогретые воздушные потоки усиленно забирают влагу из раствора, а она необходима для нормальной реакции цементной гидратации. Чтобы воспрепятствовать интенсивному испарению влаги, поверхность уложенного бетона нужно накрыть полиэтиленовой плёнкой и с определённой периодичностью увлажнять тёплой водой.

Общие рекомендации для качественной заливки бетона при минусовой температуре

Все работы, относящиеся к бетонной заливке, рациональнее проводить при благоприятствующих условиях.

Нужно помнить! Комплекс работ по заливке следует начинать при температурном значении более + 9,5 градуса без ожидаемого понижения в течение ближайших 27 суток!

Разумеется, нынешние технологии позволяют проводить бетонирование и при более низких температурных значениях, но это чревато серьёзными финансовыми затратами. К нему следует прибегать, когда нет возможности сдвинуть запланированные сроки работ.

В любом случае стоит учитывать актуальные рекомендации специалистов, помогающие достичь отличного качества при проведении заливки:

— опалубка заранее должна быть очищена от инея или наледи и надёжно утеплена;

— заливку бетоном необходимо проводить с непрерывной подачей раствора за одну «рабочую сессию»;

— такие наполнители как щебень и песок, использующиеся для приготовления смеси, обязательно прогреваются для полного исключения возможности попадания включений снега или льда в замес;

— максимальная температура заливаемой массы не должна превышать 39,5–42 градуса;

— арматуру и дно котлована нужно предварительно прогреть до достижения хотя бы минимальной положительной температуры;

— готовые сегменты бетонной конструкции закрываются теплоизолирующим покрытием во избежание «ухода» внутреннего тепла.

Весь временной промежуток формирования бетонной критической прочности нужно соблюдать оптимальный температурный режим. Однако, не нужно забывать о контролировании равномерного распространения тепла внутри конструкции. Применение греющих токопроводящих кабелей может быстро привести к иссушению отдельных сегментов бетонного строения.

Заключение

При минусовых температурах бетон заливается, как правило, при больших капитальных строительствах. Для всего этого требуется специальное оборудование, значительные финансовые средства и наличие дополнительных стройматериалов. Рациональность выполнения таких работ в частном порядке определяется наличием должных ресурсов и полным осознанием рискованности затеянного мероприятия.

        Поделиться:

Противоморозные добавки в бетон

При минусовых температурах застывание бетона практически останавливается, а застывшая вода внутри материала вызывает образование микротрещин. Это постепенно разрушает готовые конструкции. При выполнении бетонных работ в зимнее время для изготовления цементного раствора важно, чтобы вода, входящая в его состав, не замерзала. Для этого применяются противоморозные добавки (ПМД).

Создание инженерами противоморозных добавок (ПМД), которые не дают воде замерзать, позволило строителям продолжать работать с бетоном, если температура опустилась ниже нуля.

Строители чаще всего пользуются двумя видами ПМД – формиатом натрия и нитритом натрия.

Формиат натрия: характеристики, особенности, безопасность

Использование формиата натрия обеспечивает более быстрое застывание раствора. Кристаллический порошок, который состоит из:

• формиата – 97,5%,
• воды – 0,3%,
• органических примесей – 2,5%.

Введение формиата в воду, используемую при затворении цементного раствора или бетона, обеспечивает снижение точки замерзания воды.
Добавление этого компонента делает бетон более прочным. При этом срок «жизнеспособности» бетонной смеси заметно увеличивается. С ней можно работать, если температура не опускается ниже -15 °С. Смесь пригодна для изготовления бетонов, из которых возводят железобетонные или бетонные сборные и монолитные конструкции.

Достоинства и уникальные свойства

1. Формиат взрыво- и пожаробезопасен.
2. Если порошок попадает в воду, а также на отрытом воздухе он не образует токсичные соединения.
3. Экономичность. Для бетонных смесей требуется значительно меньшее количество этого вещества по сравнению с другими антиморозными присадками.

Температура окружающей среды влияет на количество формиата, предназначенного для введения в бетон для получения ожидаемого результата. Расчет проводится в процентном соотношении формиата к общему весу используемого цемента:

• при минус 5 °С – 2%;
• при минус 10 °С – 3%;
• при минус 15 °С – 4%.

Работы с формиатом выполняют в защитной одежде (специальный строительный халат, перчатки, респиратор).

Несмотря на то, что формиат – негорючий порошок, в тех местах, где применяется вещество, запрещается курить. Тот же запрет относится к разведению открытого огня.

Если конструкция из бетона или железобетона будут эксплуатировать в газовой или водной среде, а также влажность воздуха будет превышать 60%, то использовать формиат натрия нельзя.

На предприятиях, связанных с потреблением постоянного тока или использованием электрифицированного транспорта, эта противоморозная добавка не применяется.

Нитрит натрия: характеристики, особенности, безопасность

Нитрит натрия является очень токсичной, горючей и взрывоопасной противоморозной добавкой. Он относится к третьему классу опасности по этим параметрам, поэтому применять его нужно с осторожностью. Для приготовления смеси выделяют специальные помещения. В них после завершения приготовления смеси не должны находиться люди и источники воспламенения. Кроме того, число сотрудников, которых будут привлекать к такой работе, должно быть минимальным. Для растворения порошка используются максимально механизированные закрытые установки.

Достоинства и уникальные свойства

Несмотря на чрезвычайную опасность нитрита натрия, он широко используется в строительстве из-за своих уникальных свойств:

1. Увеличивается в несколько раз первоначальная водонепроницаемость, а также прочность бетона.
2. В железобетонных изделиях металл не подвергается коррозии. Кроме того, пылеообразование значительно уменьшается.
3. Благодаря морозостойкости строительные работы можно продолжать даже при -20 °С.

Противоморозные добавки для бетона содержат ядовитые вещества. При работе с ними необходимо соблюдать правила безопасности:

1. Обязательное использование специальных защитных средств для глаз и рук.
2. Если состав попал в рот или глаза, их необходимо срочно промыть водой.
3. При попадании вещества на кожу – тщательно смыть водой с мылом.
4. Запрещается привлекать к работе людей, страдающих аллергией.
5. При утилизации остатков противоморозного раствора следует строго соблюдать инструкцию.
6. Важно помнить, что разные противоморозные присадки нельзя смешивать в одном растворе.

Введение противоморозных добавок в бетон позволяет проводить бетонные работы при низких температурах. Кроме того ПМД экономичны, а также улучшают эксплуатационные характеристики бетона.

Прогноз температуры бетона во время отверждения с использованием регрессии и искусственной нейронной сети

Гидратация цемента играет жизненно важную роль в изменении температуры бетона раннего возраста из-за тепловыделения. Температура бетона влияет на удобоукладываемость, и ее измерение является важным элементом любой программы контроля качества. В этом отношении очень ценен метод оценки температуры бетона во время отверждения. В этой статье для оценки конкретной температуры использовались методы многомерной регрессии и нейронной сети.Для достижения этой цели были подготовлены десять лабораторных цилиндрических образцов в контролируемой обстановке, а температура бетона измерялась термисторами, имеющимися в тензодатчиках с вибрирующей проволокой. Переменные входных данных включают время (час), температуру окружающей среды, соотношение воды и цемента, содержание заполнителя, высоту и диаметр образца. Температура бетона была измерена на десяти различных бетонных образцах. Нелинейная регрессия достигла определенного коэффициента () 0,873. Используя тот же набор входных данных, искусственная нейронная сеть предсказала конкретную температуру с более высоким значением 0.999. Результаты показывают, что метод искусственной нейронной сети может значительно использоваться для прогнозирования конкретной температуры, когда результаты регрессии не имеют надлежащей точности.

1. Введение

Прогноз температуры свежего бетона представляет большой интерес для проектировщиков и подрядчиков, потому что гидратация цемента — экзотермический процесс, а выделение тепла может привести к очень раннему возникновению термических трещин при отсутствии какой-либо нагрузки [1]. Поэтому использование метода оценки температуры во время отверждения очень полезно.

Гидратация цемента вызывает повышение внутренней температуры бетона. Повышение температуры зависит от многих параметров, включая состав цемента, крупность и содержание, заполнитель и КТР (коэффициент теплового расширения), геометрию секции, размещение и температуру окружающей среды [2]. После достижения максимальной температуры температура бетона снижается [3].

Заливки с большим отношением объема к площади поверхности более подвержены термическому растрескиванию. Цементы, используемые для массового бетона, должны иметь низкое содержание C ₃ S и C ₃ A для уменьшения чрезмерного нагрева во время гидратации.Цемент с более низкой крупностью и медленной гидратацией снижает повышение температуры. Массовые бетонные смеси должны содержать как можно меньше цемента для достижения желаемой прочности. Это снижает тепло гидратации и последующее повышение температуры. Более высокое содержание крупного заполнителя (70–85%) можно использовать для снижения содержания цемента и снижения повышения температуры. КТР (коэффициент теплового расширения) крупного заполнителя имеет основное влияние на КТР бетона. Агрегаты с более низким CTE имеют тенденцию иметь более высокую теплопроводность; таким образом, тепло от ядра быстро отводится.Более низкие температуры окружающей среды вызывают меньшее повышение температуры. Более низкое соотношение объема к поверхности приводит к меньшему повышению температуры. оказывает большое влияние на повышение температуры. Чем ниже, тем меньше поднимается температура [2].

Для измерения температуры бетона во время отверждения требуются инструменты и высокие затраты. Используемые методы прогнозирования температуры бетона обычно состоят из метода Portland Cement Association (PCA), графического метода ACI, метода Шмидта [4] и программного пакета ConcreteWorks [5].

Метод PCA рассчитывает повышение температуры на 10 ° F для каждых 100 фунтов цемента, не дает информации о времени достижения максимальной температуры, не позволяет количественно определить разницу температур и предполагает, что наименьший размер бетонного элемента составляет не менее 1,8 м (6 футов). Графический метод ACI использует диаграммы и уравнения, основанные на эмпирических данных и допущениях для граничных условий. Как правило, этот метод недооценивает максимальную температуру и плохо предсказывает время достижения максимальной температуры.Метод Шмидта мало помогает в определении граничных условий и его сложно моделировать. Более того, он может быть сложным и должен выполняться опытным инженером [5]. В дополнение к дефектам трех вышеупомянутых методов, они не предсказывают постоянную температуру бетона. Пакет программ ConcreteWorks, используемый для прогнозирования постоянной температуры бетона, должен измерять содержание воздуха в бетоне, осадку, заданную конечную прочность на сжатие (), коэффициент теплового расширения и тепловые свойства бетона.Этот тип измерения требует слишком много времени и затрат. Таким образом, использование быстрого и простого метода для прогнозирования постоянной температуры бетона, который измеряет входные параметры простым и недорогим способом, может быть очень полезным.

Целью данного исследования является прогнозирование температуры во время отверждения бетона с использованием времени (), температуры окружающей среды, отношения воды к цементу, содержания заполнителя, диаметра и высоты образца в качестве переменных. Необходимые данные являются результатом лабораторного эксперимента. Для прогнозирования использовались многомерная регрессия (программное обеспечение SPSS) и искусственная нейронная сеть (MATLAB).

2. Экспериментальные процедуры

Чтобы предсказать температуру во время отверждения бетона, необходимо постоянно измерять температуру с помощью термисторов, которые расположены внутри образцов бетона. Необходимые данные получены в результате десяти экспериментов, проведенных на различных цилиндрических образцах бетона в Институте геотехнической инженерии и маркшейдерского дела Технического университета Клаусталя, Германия. В каждом конкретном образце были установлены тензодатчики различных типов.Вибропроволочные тензодатчики оснащены термисторами, с их помощью измеряется температура бетона. На разных этапах бетонирования бетон надлежащим образом уплотнялся ручным вибратором.

Измерения начались сразу после бетонирования образца и в процессе его отверждения. Температуру фиксировали до 30 часов после бетонирования, при этом температурные изменения скорее прекратились.

Для более точного прогнозирования температуры в качестве температуры бетона использовалась измеренная температура бетона в образцах с аналогичной возможностью тензодатчиков.

Тип цемента, использованный в данном исследовании и производимый German Deuna Co., представляет собой портландцемент (CEM,).

Характеристики образцов представлены в таблице 1. Используемые агрегаты во всех образцах крупнозернистые и кремнеземистые. Образец № 9 был помещен в холодную погоду (от −2 ° C до +1,84 ° C) после бетонирования и в процессе отверждения. Для образцов с соотношением вода / цемент 50% и № образца 9 (бетонирование в холодную погоду) на каждый килограмм цемента было использовано 30 мл пластификатора.

No образца. (%) Диаметр (мм) Высота (мм) Совокупность (кг) 1 50 460 480 91,458 2 50 300 480 91,458 3 50 200 480 91.458 4 67 300 480 44 5 50 300 250 87.772 6 50 200 250 87,772 7 67 460 480 42,48 8 61 460 480 43,327 9 65 460 480 88 10 50 460 480 87.772

Измеренные изменения температуры во время отверждения образцов представлены на Рисунке 1.

3. Анализ данных и результаты

3.1. Многопараметрическая регрессия

В этом исследовании линейные и нелинейные регрессии использовались для разработки уравнений между конкретной температурой и входными переменными. Для подготовки уравнений применялась пошаговая процедура выбора переменных. Статистические параметры входных переменных представлены в таблице 2.

Переменная (%) Минимум Максимум Среднее значение Стандартное отклонение Количество данных Время (час) 0,00 30,433 10,12 9,049 2340 Температура окружающей среды (° C) −2 22,48 15,496 6.142 2340 Соотношение вода / цемент (%) 50

.

1,2 и 1,4 присоединения

Как изолированные, так и сопряженные диены подвергаются реакциям электрофильного присоединения. В случае изолированных диенов реакция протекает аналогично электрофильному присоединению алкена. Добавление бромистого водорода к 1,4-пентадиену приводит к двум продуктам.

Эта реакция следует стандартному механизму карбокатиона для присоединения по двойной связи. Добавление большего количества бромистого водорода приводит к добавлению по второй двойной связи в молекуле.В случае сопряженных диенов продукт 1,4-присоединения образуется в дополнение к продуктам Марковникова и антимарковникову. Таким образом, при добавлении бромистого водорода к 1,3-бутадиену происходит следующее.

Продукт 1,4-присоединения является результатом образования стабильного аллильного карбокатиона. Аллильный карбокатион имеет структуру

Он очень стабилен, потому что заряд на первичном углероде делокализован по углеродной цепочке за счет движения π-электронов в π-связи.Эта делокализация заряда за счет движения электронов называется резонансом , а различные промежуточные структуры называются резонансными структурами. Однако, согласно теории резонанса, ни одна из промежуточных резонансных структур не является правильной. Истинная структура — это гибрид всех структур, которые можно нарисовать. Гибридная структура содержит меньше энергии и, следовательно, более стабильна, чем любая из резонансных структур. Чем больше резонансных структур можно нарисовать для данной молекулы, тем она стабильнее.Разница в энергии между расчетным содержанием энергии резонансной структуры и фактическим содержанием энергии гибридной структуры называется резонансной энергией , энергией сопряжения или энергией делокализации молекулы. Аллильный карбокатион существует как гибрид двух резонансных структур.

Поскольку он стабилизирован резонансом, аллильный карбокатион намного более стабилен, чем обычный первичный карбокатион. Резонансная стабильность всегда приводит к более стабильному состоянию, чем индуктивная стабильность.Гибридная структура для этого иона

Эта структура показывает движение π-электронов по сопряженной системе, что приводит к перемещению положительного заряда по системе.

Понимание аллильного карбокатиона проясняет механизм добавления к 1,3-бутадиену.

Когда к сопряженным диенам добавляют другие электрофилы, также происходит 1,4-присоединение. Многие реагенты, такие как галогены, галогеновые кислоты и вода, могут образовывать 1,4-аддитивные продукты с сопряженными диенами.Будет ли образовано больше продукта 1,2 присоединения или 1,4 присоединения, во многом зависит от температуры, при которой протекает реакция. Например, добавление бромистого водорода к 1,3-бутадиену при температурах ниже нуля приводит в основном к продукту 1,2-присоединения, в то время как реакции присоединения протекают при температурах выше 50 ° C с этими химическими веществами, в основном образуя 1,4-присоединение. товар. Если реакцию сначала проводят при 0 ° C, а затем нагревают до 50 ° C или выше и выдерживают там в течение определенного периода времени, основным продуктом будет 1,4-добавка.Эти результаты показывают, что реакция протекает по двум различным направлениям. При высоких температурах реакция термодинамически контролируется, а при низких температурах реакция контролируется кинетически.

Для общей реакции

: высокотемпературная, термодинамически контролируемая реакция существует в состоянии равновесия.

Если B более стабилен, чем A, B будет основным продуктом. Скорость образования несущественна, потому что увеличение скорости прямой реакции отражается увеличением скорости обратной реакции.В обратимых реакциях продукт зависит только от термодинамической стабильности.

При низких температурах реакция необратима, и равновесие не устанавливается, поскольку продукты имеют недостаточную энергию для преодоления энергетического барьера активации, отделяющего их от исходного реагента. Если A формируется быстрее, чем B, это будет основной продукт. В необратимых реакциях продукт зависит только от скорости реакции и, следовательно, считается кинетически контролируемым. Рисунок 1 представляет собой диаграмму энергии реакции, которая иллюстрирует термодинамически и кинетически контролируемые реакции.

Рисунок 1

Энергетическая диаграмма реакции 1,3-бутадиена с бромистым водородом показывает пути двух продуктов, образующихся из промежуточного соединения (рис. 2).

Рисунок 2

.

Влияние наночастиц TiO2 на физико-механические свойства цемента при низких температурах

Низкая температура отрицательно сказывается на технических характеристиках вяжущих материалов и снижает производительность строительства. Предыдущие исследования уже продемонстрировали, что наночастицы TiO ₂ могут ускорять гидратацию цемента и увеличивать развитие прочности вяжущих материалов при комнатной температуре. Однако эффективность вяжущих материалов, содержащих наночастицы TiO ₂ , при низких температурах до сих пор неизвестна.В этом исследовании образцы были приготовлены путем замены цемента наночастицами TiO ₂ 1 вес.%, 2 вес.%, 3 вес.%, 4 вес.% И 5 вес.% И отверждены при температуре 0 °. C, 5 ° C, 10 ° C и 20 ° C для определенного возраста. Физические и механические свойства образцов были оценены с помощью испытания на время схватывания, испытания на прочность на сжатие, испытания на прочность на изгиб, испытания степени гидратации, порозиметрии на проникновение ртути (MIP), рентгеноструктурного анализа (XRD), термогравиметрического анализа (TGA) и сканирующая электронная микроскопия (SEM) для изучения характеристик вяжущих материалов с наночастицами TiO ₂ и без них при различных температурах отверждения.Было обнаружено, что низкая температура задерживает процесс гидратации цемента, в то время как наночастицы TiO ₂ положительно влияют на ускорение гидратации цемента и сокращение времени схватывания с точки зрения результатов теста времени схватывания, теста степени гидратации и теста прочности. , а образец с добавлением 2 мас.% наночастиц TiO ₂ показал превосходные характеристики. Уточненная структура пор в тестах MIP, большая потеря массы CH в TGA, появление интенсивных пиков, связанных с продуктами гидратации в XRD-анализе, и более плотная микроструктура в SEM продемонстрировали, что образец с 2 мас.% TiO ₂ наночастиц продемонстрировали предпочтительные физические и механические свойства по сравнению с наночастицами TiO ₂ без наночастиц при различных температурах отверждения.

1. Введение

Конструкции дорожных покрытий из-за того, что они тесно контактируют с окружающей средой, сильно зависят от факторов окружающей среды, таких как низкие температуры, в частности, в холодных регионах. Цемент, как один из наиболее широко используемых материалов для дорожных покрытий, широко используется в дорожном строительстве из-за его низкой цены и доступности.Однако предыдущие исследования показали, что низкая температура увеличивает время схватывания цемента и снижает прочность цемента, что приводит к снижению производительности строительства в холодных регионах [1].

Чтобы свести к минимуму эти негативные воздействия, связанные с низкой температурой, ускорители гидратации цемента используются в качестве добавок в бетон, чтобы сократить время схватывания и улучшить развитие прочности [2]. Обычно хлоридные соли являются наиболее широко используемыми и экономичными ускорителями [3].Однако в некоторых областях, которые пострадали от химического воздействия, такого как коррозия, вызванная хлоридом, следует избегать добавления этих хлоридных ускорителей, чтобы уменьшить возникновение коррозии стальной арматуры и потери прочности бетона. Таким образом, были проведены многочисленные исследования для разработки нехлоридного ускорителя вместо того, чтобы исключить возможность коррозии, особенно в агрессивных средах. Нитрат кальция [4, 5], алюминат [6] и соли лития [7] могут изменять время схватывания и прочность цемента благодаря своим химическим свойствам.Кроме того, известняковый порошок [1, 8] и микрокремнезем [9] могут использоваться в качестве физических ускорителей для модификации цемента при низких температурах.

Наночастицы, благодаря своему ультратонкому размеру и высокому отношению площади поверхности к объему, могут ускорить процесс гидратации цемента и способствовать формированию более плотной микроструктуры, тем самым улучшая долговечность и механические свойства вяжущих материалов [10, 11]. Следовательно, наночастицы можно рассматривать как альтернативный вариант использования в качестве ускорителей для вяжущих материалов при низких температурах.Многочисленные исследования были проведены по использованию наночастиц, включая нано-SiO ₂ [12–22], нано-CaCO ₃ [17, 23, 24], нано-Al ₂ O ₃ [16 , 20, 25], нано-TiO ₂ [14, 16, 26–38], нано-Fe ₂ O ₃ [10, 13] и нано-CuO [13, 39] в цементных материалы для улучшения их прочности и механических свойств. Нано-SiO ₂ — наиболее часто используемые наночастицы, в то время как наночастицы TiO ₂ сравнительно благоприятны для конструкций дорожных покрытий с точки зрения свойства очистки воздуха.Что касается наночастиц TiO ₂ , исследование Назари и др. показали, что частичная замена цемента наночастицами TiO ₂ сокращает время схватывания, улучшает процесс гидратации и увеличивает прочность бетона на изгиб при температуре 20 ° C, в то время как прочность на изгиб снижается при содержании TiO ₂ наночастиц было более 4% [26–29]. Ли и др. сообщили, что за счет добавления наночастиц TiO ₂ ускоряется гидратация цемента в раннем возрасте, время схватывания сокращается, а прочность на сжатие увеличивается при 23 ± 2 ° C [31, 32].Pimenta Teixeira et al. показали, что высокая температура (40 ° C и 60 ° C) способствует гидратации цементного теста, содержащего наночастицы TiO ₂ , и улучшает прочность на сжатие в раннем возрасте [34]. Mohseni et al. обнаружили, что введение наночастиц TiO ₂ увеличивает прочность на сжатие самоуплотняющегося раствора при температуре окружающей среды, а с увеличением содержания TiO ₂ прочность на сжатие также имеет тенденцию к увеличению [16]. Однако Zhang et al.исследовали, что при 20 ± 3 ° C прочность на сжатие и изгиб бетона снижается с увеличением дозировки наночастиц TiO ₂ [33]. Feng et al. обнаружили, что при комнатной температуре микроструктура цементного теста стала более плотной за счет включения наночастиц TiO ₂ , и был исследован новый тип продукта гидратации [30]. Кроме того, из-за фотокаталитического действия наночастиц TiO ₂ эти частицы обычно примешиваются к строительным материалам для получения свойства очистки воздуха [36–38].

Большинство этих исследований проводилось при температуре окружающей среды, и очень мало исследований изучали влияние наночастиц SiO ₂ и наночастиц Al ₂ O ₃ на свойства вяжущих материалов при низких температурах [18–20] . Влияние наночастиц TiO ₂ на характеристики вяжущих материалов при низких температурах все еще не было обнаружено, а сохранят ли наночастицы TiO ₂ свои характеристики при низких температурах, оставалось неизвестным.Лучшее понимание наночастиц при низких температурах может способствовать практическому применению наночастиц в холодных регионах. Целью настоящего исследования было оценить влияние наночастиц TiO ₂ на физико-механические свойства цемента при низких температурах, и в этой статье были выбраны низкие температуры 0 ° C, 5 ° C и 10 ° C. при температуре окружающей среды 20 ° C в качестве исходной температуры. Кроме того, было изучено влияние TiO ₂ на распределение пор по размерам, микроструктуру и термические свойства, когда образцы отверждались при различных температурах и определенном возрасте.

2. Материалы и испытания

2.1. Материалы и пропорции образцов

Сырье, используемое в этом исследовании, включает цемент, наночастицы TiO ₂ и природный речной песок. Использовали обычный портландцемент (P.O) 42,5 типа I, соответствующий спецификации ASTM C150 [40], и наночастицы TiO ₂ со средним размером частиц 15 нм. Химические и физические свойства цемента и наночастиц TiO ₂ , предоставленных поставщиками, перечислены в Таблице 1 и Таблице 2 соответственно.Гранулометрический состав используемого песка составлял 0,63–1,25 мм, 0,315–0,63 мм и 0,16–0,315 мм, фракция песка 2: 4: 2. Водоредуцирующий агент поликарбоксилатного типа соответствовал стандарту ASTM C494-тип F. [41] использовался для сохранения хорошей обрабатываемости.

3 SO4 9103 0 Химический состав Содержание (%) CaO 59,48 SiO 2 18.73 Al 2 O 3 5,12 Fe 2 O 3 3,45 MgO 4,02 LOI 2,51 Удельный вес (г / см 3 ) 3,15 Удельная поверхность (м 2 / г) 0.39

Диаметр (нм) Отношение объема поверхности (м 2 / г) Чистота (%) TiO 2 10–25 200 99,8

В этом исследовании лабораторные эксперименты были выполнены в два этапа.На первом этапе влияние наночастиц TiO ₂ различных дозировок 1 мас.%, 2 мас.%, 3 мас.%, 4 мас.% И 5 мас.% На физико-механические свойства образцов. отверждение при температурах 0 ° C, 5 ° C, 10 ° C и 20 ° C. Оптимальная дозировка наночастиц TiO ₂ , которые продемонстрировали превосходные характеристики с точки зрения прочности, времени схватывания и степени гидратации, была выбрана в качестве репрезентативной для исследования причины, по которой наночастицы TiO ₂ могут ускорять гидратацию цемента.На втором этапе было изучено влияние оптимальных наночастиц TiO ₂ на структуру пор, продукты гидратации и микроструктуру цементных паст при различных температурах отверждения.

Образцы цементного раствора приготовлены для испытания на механическую прочность. Образцы растворов включали образец обычного раствора без наночастиц TiO ₂ и образцы раствора с заменой цемента 1 мас.%, 2 мас.%, 3 мас.%, 4 мас.% И 5 мас.% TiO ₂ наночастицы соответственно.Были подготовлены кубические образцы размером 50 × 50 × 50 мм для испытания на прочность на сжатие и образцы призмы 40 × 40 × 160 мм для испытания на прочность на изгиб.

TiO ₂ наночастиц были равномерно диспергированы в 30% воды с использованием сначала ультразвуковой обработки. Затем цемент и песок смешивали вместе в течение примерно 1 минуты, после чего добавляли хорошо диспергированные наночастицы TiO ₂ и перемешивали еще 1 минуту перед добавлением остальной воды. Затем раствор помещали в формы и отверждали при температурах 0 ° C, 5 ° C, 10 ° C и 20 ° C с постоянной относительной влажностью 95% до испытания.Отношение воды к связующему в образцах составляло 0,5. Что касается контроля температуры отверждения, в испытаниях использовались автоматизированные контрольные камеры с регулируемым температурным диапазоном 0–50 ° C. Следует подчеркнуть, что использованное сырье и формы сначала предварительно охлаждались, чтобы после процесса смешивания достичь температур, близких к целевой температуре отверждения.

Кроме того, образцы цементной пасты с тем же отношением воды к связующему, что и образцы строительных растворов, также были приготовлены и отверждены в тех же условиях отверждения, и в испытаниях были использованы небольшие кусочки, вырезанные из образца кубической пасты размером 50 × 50 × 50 мм. степени гидратации, MIP, TGA, XRD и SEM анализ.

Следует отметить, что процесс испытаний проводился при комнатной температуре. Когда образцы достигли возраста испытаний, их вынули из камер отверждения с регулируемой температурой для тестирования, и процесс испытания завершился в течение 30 минут.

2.2. Тесты на физико-механические свойства

Время начального и конечного схватывания обычных цементных паст и цементных паст с различными добавками TiO _{2 наночастиц} измеряли в соответствии с ASTM C191 [42] с помощью ручного игольчатого устройства Вика при различных температурах отверждения.Начальное время схватывания определялось как время между начальным контактом цемента и воды и временем, когда глубина проникновения составляла 25 мм, а окончательное время схватывания рассчитывалось как время между начальным контактом цемента и воды и время, когда игла не оставила на поверхности полного кругового отпечатка. На образцах пасты были проведены повторные испытания на проникновение, позволяя игле Вика проникать в пасту. Цементная паста, используемая для этого испытания, должна быть приготовлена ​​так, чтобы удовлетворять стандартной нормальной консистенции в соответствии с ASTM C187 [43], и цементная паста должна иметь стандартную консистенцию, когда измерительная игла опускается до точки на 10 ± 1 мм ниже исходной поверхности в пределах 30 s после освобождения.Были приготовлены свежие цементные пасты с различным количеством воды до достижения стандартной консистенции.

Испытание на прочность на сжатие проводилось на обычных цементных растворах и цементных растворах, содержащих различные добавки наночастиц TiO ₂ в соответствии с ASTM C109 [44], путем работы гидравлической испытательной машины с контролируемой скоростью 1350 Н / с и прочности на изгиб. определяли в соответствии с ASTM C293 [45]. Эти испытания проводились соответственно через 3, 7, 28 и 56 дней отверждения при температурах отверждения 0 ° C, 5 ° C, 10 ° C и 20 ° C, а прочность определялась по среднему значению. из трех экземпляров.

Для оценки процесса гидратации обычных цементных паст и цементных паст с различными наночастицами TiO ₂ при различных температурах отверждения была рассчитана не испаряющаяся вода, химически связанная в продуктах гидратации, чтобы определить степень гидратации цемента при 3, 7, 28, и 56 дней лечения [12, 15]. Был выбран кусок цементного теста, который растерли в порошок, а затем 2 г этого порошка высушили при 105 ° C в течение 3 часов до достижения постоянного веса; после этого порошок прокалили при 1000 ° C в течение 3 часов, а затем степень гидратации в определенном возрасте можно рассчитать как отношение неиспариваемой воды для пасты, отвержденной в этом возрасте, к неиспаряющейся воде для пасты, полностью гидратированной. , как указано в следующем уравнении: где — степень гидратации при определенном возрасте отверждения, и — массы образцов после сушки при 105 ° C и последующего нагревания при 1000 ° C, соответственно, и 0.25 считается количеством химически связанной воды для полностью гидратированного цементного теста.

2.3. MIP

Для наблюдения за влиянием низкой температуры на структуру пор цементных паст в процессе гидратации, на основе результатов физико-механических испытаний, уже проведенных в этом исследовании, обычная цементная паста и цементная паста, содержащие оптимальную дозировку TiO _{2 наночастиц} были отобраны для измерения распределения пор по размерам с помощью порометрии с проникновением ртути (MIP) в соответствии с ISO 15901-1 [46].После 28 дней отверждения при различных температурах образцы цементного теста были разбиты ножом на небольшие квадратные фрагменты с приблизительным размером 5 × 5 × 5 мм, и куски затвердевшего цементного раствора, выбранные из середины образца, были использованы для измерения прочности. распределение пор по размерам для обеспечения точности. Кусочки затвердевшего цементного раствора следует замочить в этаноле, чтобы остановить гидратацию. После замачивания в этаноле в течение 24 часов кусочки вынимали из этанола для полного испарения этанола и сушили при 105 ° C в течение 3 часов в печи, чтобы удалить воду из пор и обеспечить стабильный вес перед испытанием на ртуть.Поровое давление находилось в диапазоне от 0,2 до 220 МПа, плотность ртути — 13,5335 г / мл, угол контакта — 130 °, поверхностное натяжение — 0,485 Н / м.

2.4. Термогравиметрический анализ (ТГА)

Изменение массы материала, подвергшегося постоянно растущей температуре нагрева, можно получить с помощью термогравиметрического анализа. Поскольку температуры разложения различных компонентов в материале различаются, поэтому можно определить содержание соответствующих компонентов.В этом исследовании для количественной оценки содержания CH в обычном цементном тесте и цементном тесте, модифицированном оптимальной дозировкой наночастиц TiO ₂ при различных температурах отверждения, соответствующие образцы в возрасте 28 дней измельчали ​​в порошок и нагревали 2 г порошка. при повышении температуры от 20 ° C до 1000 ° C со скоростью 10 ° C / мин в среде азота.

2,5. Дифракция рентгеновских лучей (XRD)

Дифракция рентгеновских лучей может использоваться для определения основных минеральных фаз вяжущего материала во время гидратации.Фазы обычного цементного теста и цементного теста с оптимальной дозировкой наночастиц TiO ₂ при различных температурах отверждения были проанализированы в возрасте 28 дней. Испытание XRD проводилось для сканирования образцов под углом от 5 ° до 90 ° (2 θ ) с шагом 0,02 ° (2 θ ) с использованием излучения Cu Ka со скоростью сканирования 1 ° в минуту.

2.6. SEM

Микроструктурные изображения обычного цементного теста и цементного теста, содержащих оптимальную дозировку наночастиц TiO ₂ при различных температурах отверждения, были получены в возрасте 28 дней с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).Через 28 дней образец был разбит на части, и в этом испытании была использована средняя часть. Эту часть погружали в этанол, чтобы остановить гидратацию, а затем ее сушили и опрыскивали золотом для обеспечения проводимости перед тестированием SEM.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Физико-механические свойства

3.1.1. Время схватывания

Начальное и окончательное время схватывания обычных цементных паст и паст с различными пропорциями наночастиц TiO ₂ при различных температурах отверждения показано на Рисунке 1.На основании результатов проверено, что как время начального схватывания, так и время окончательного схватывания увеличивались по мере снижения температуры отверждения. Время схватывания цементных паст, отвержденных при 0 ° C, было заметно дольше, чем отвержденных при температуре окружающей среды, независимо от содержания наночастиц TiO ₂ . С увеличением температуры отверждения время схватывания явно уменьшалось. Первоначальное время схватывания паст, отвержденных при 0 ° C, было в три раза больше, чем у паст, отвержденных при 5 ° C, почти в пять раз по сравнению с пастами, отвержденными при 20 ° C, в то время как пасты, отвержденные при 10 ° C, имели начальное время. время схватывания на 9–20% больше, чем при 20 ° C, почти такое же.Аналогичные тенденции наблюдались во время окончательного схватывания. Это связано с тем, что низкая температура сдерживает скорость гидратации цемента, а цементным пастам требуется гораздо больше времени для схватывания, особенно при 0 ° C. Хотя в предыдущем исследовании [1, 8] было продемонстрировано, что процесс гидратации протекает медленнее, низкая температура по-прежнему оказывает значительное влияние на растворение клинкеров и их реакцию с водой, что приводит к замедлению времени схватывания.

Можно также отметить еще одно явление: с увеличением содержания наночастиц TiO ₂ время схватывания цементных паст неуклонно сокращалось, несмотря на колебания температуры отверждения.Это связано с тем, что, помимо эффекта наполнителя, наночастицы сами могут действовать как активатор, способствуя гидратации цемента из-за его высокой активности. Наночастицы TiO ₂ , несмотря на химическую инертность по отношению к компонентам цемента, могут обеспечить дополнительное пространство для гидратированных продуктов для осаждения из-за большого отношения площади поверхности к объему, тем самым ускоряя гидратацию цемента и сокращая время схватывания.

3.1.2. Степень гидратации

Степень гидратации обычного цементного теста и паст с различным добавлением наночастиц TiO ₂ , определяемая химически связанной водой при различных температурах отверждения, показана на рисунке 2.Из результатов можно видеть, что степень гидратации цемента улучшалась с увеличением возраста выдержки, поскольку продукты гидратации могли образовываться с увеличением времени. Также стоит отметить, что степень гидратации цемента постепенно увеличивалась в раннем возрасте, тогда как гидратация цемента увеличивалась относительно медленными темпами через 7 дней.

Это явление в основном объясняется тем, что низкая температура обычно подавляет процесс гидратации, вызывая медленную скорость образования гидратированного продукта.При низких температурах растворение клинкера будет замедляться, и более низкая температура указывает на более медленную скорость растворения. Кроме того, низкая температура препятствует взаимному движению молекулярной реакции и, соответственно, задерживает процесс реакции гидратации, что приводит к плохому развитию продуктов гидратации, что может отражаться на увеличении прочности и развитии микроструктуры. Обычно считается, что частица гидратированного цемента состоит из безводного цементного ядра и гидратированной цементной оболочки, причем ядро ​​становится меньше, а оболочка становится толще по мере протекания гидратации.Причина, по которой степень гидратации показывала более медленный рост через 7 дней, может заключаться в том, что скорость диффузии Ca ²⁺ и OH ^— через гидратированную цементную оболочку уменьшается, поскольку со временем будет производиться больше продуктов гидратации, и, следовательно, задерживает увеличение степени гидратации.

Напротив, с увеличением наночастиц TiO ₂ сначала улучшилась степень гидратации цементных паст, затем улучшение было не очень очевидным, и эта тенденция была аналогичной независимо от температуры отверждения.Наночастицы TiO ₂ из-за большого отношения площади поверхности к объему могут обеспечить дополнительное пространство для осаждения продуктов гидратации; следовательно, гидратированная оболочка не будет становиться все толще и толще со временем по сравнению с оболочкой без наночастиц TiO ₂ , поскольку чем толще гидратированная цементная оболочка, тем меньше скорость диффузии ионов через оболочку; наконец, процесс гидратации можно ускорить. С увеличением содержания наночастиц TiO ₂ , место зародышеобразования, обеспечиваемое общей площадью поверхности для роста продуктов гидратации, также увеличивается, поэтому больше продуктов гидратации будет осаждаться на поверхности наночастиц TiO ₂ , и степень гидратации будет быть улучшенным.

3.1.3. Механическая прочность

Прочность на сжатие и прочность на изгиб обычного цементного раствора и растворов с различными пропорциями наночастиц TiO ₂ при различных температурах отверждения показаны на рисунке 3. Следует отметить, что обе эти прочности показали тенденцию к снижению по мере отверждения. температура снизилась, а низкая температура оказала нежелательное влияние на прочность, особенно через 3 дня. Напротив, прочность неуклонно повышалась с увеличением времени отверждения, независимо от изменения температуры.Прочность образцов быстро увеличивалась до 7 дней, в то время как через 7 дней скорость прироста замедлялась, и, наконец, через 56 дней была продемонстрирована максимальная прочность. Между тем, было обнаружено, что при включении наночастиц TiO ₂ прочность сначала показала быстрое увеличение по сравнению с обычным строительным раствором до тех пор, пока дозировка наночастиц TiO ₂ не достигла 2 вес.%, А затем скорость этот рост замедлился.

Прочность цементного раствора в основном объясняется равномерным распределением и плотностью гидратированного продукта, в основном гелей гидрата силиката кальция (CSH), в результате гидратации силиката трикальция (C ₃ S) и силиката дикальция (C ₂ S).Тем не менее, скорость гидратации при низких температурах ниже, поэтому продуктов гидратации будет образовываться недостаточно, чтобы сократить расстояние между ними и заполнить поры в матрице, и, соответственно, для образования плотной микроструктуры потребуется гораздо больше времени по сравнению с время, необходимое при температуре окружающей среды. Более того, диффузия Ca ²⁺ и OH ^— через гидратированную оболочку во время процесса гидратации замедляется при низких температурах, что, в свою очередь, замедляет рост прочности.Это может быть причиной того, что через 3 дня, хотя гидратация цемента все еще продолжалась при 0 ° C, замедление гидратации привело к образованию небольшого количества гидратированных продуктов, что почти не привело к увеличению прочности.

Влияние наночастиц TiO ₂ на прочность строительных растворов в этом исследовании было очевидным. Понятно, что прочность строительных смесей быстро улучшалась до тех пор, пока содержание наночастиц TiO ₂ не достигло 2 вес.%, И это улучшение было более значительным в отношении прочности на изгиб.Как упоминалось выше, прочность цементного раствора тесно связана с количеством эттрингита и гелей C-S-H, а наличие наночастиц способствует гидратации цемента, тем самым производя больше продуктов гидратации. В дополнение к свойству наполнителя наночастиц заполнять поры в гелях C-S-H, хорошо известно, что наночастицы имеют большое отношение площади поверхности к объему, и, следовательно, дополнительная площадь поверхности оказывается подходящим местом для осаждения продуктов гидратации.Кроме того, наночастицы позволяют образовывать связь между собой и гелями C-S-H, в результате чего прочность может быть соответственно улучшена. Однако существует также нежелательный эффект из-за большого отношения площади поверхности к объему, поскольку наночастицы склонны к слипанию, и будет образовываться множество кластеров наночастиц, которые очень слабы по прочности, что приводит к гетерогенной микроструктуре [47]. Это может быть причиной того, что степень гидратации все еще немного увеличивалась, в то время как наблюдалось ограниченное увеличение прочности строительного раствора, когда дозировка наночастиц TiO ₂ превышала 2 мас.% в этом исследовании. Это явление также может быть связано с тем, что наночастиц TiO ₂ достаточно для объединения со свободной известью, что приводит к потере прочности из-за выщелачивания избыточного количества кремнезема [28].

Следует отметить, что, хотя прочность была увеличена наночастицами TiO ₂ , это усиление все еще не было очень выраженным при низких температурах. Поскольку при низких температурах общая скорость гидратации цемента снижается, увеличение прочности, в основном за счет образования гелей C-S-H, соответственно откладывается.

На основании результатов испытания на время схватывания, испытания степени гидратации и испытания на механическую прочность образец с 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ показал превосходные характеристики, поэтому оптимальная дозировка была принята как 2 мас.%. В следующих экспериментах были выбраны образцы с 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ и обычный образец, чтобы проиллюстрировать механизм, почему наночастицы TiO ₂ могут ускорять гидратацию цемента при низких температурах.

3.2. Структура пор

Интегральные кривые и дифференциальные кривые распределения пор по размеру образцов без наночастиц TiO ₂ и с 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ при различных температурах показаны на рисунке 4. Эти две кривые можно использовать для иллюстрации распределения пор в образцах. Наивысшая точка на интегральных кривых распределения пор — это общий удельный объем пор образца, а меньший общий объем пор указывает на более низкую пористость образца.Диаметр поры, соответствующий пику на дифференциальных кривых распределения пор, рассматривается как наиболее вероятный размер пор, на который приходится наибольшая доля размера пор в образце по сравнению с остальными размерами пор, а наибольший — наиболее вероятный. размер пор указывает на больший средний размер пор [33].

Из результатов испытаний на Рисунке 4 (а) очевидно, что образцы с наночастицами TiO ₂ имели меньший объем пор по сравнению с образцами без наночастиц и с 2 мас.% TiO ₂ , общий объем пор уменьшился на 12,1%, 11,5%, 10,1% и 7,3% при 20 ° C, 10 ° C, 5 ° C и 0 ° C соответственно. Также мы заметили, что с 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ в образце объем безвредной поры (<20 нм) и поры с низким уровнем вреда (20–50 нм) увеличился, в то время как объем вредной поры ( 50–200 нм) и уменьшаются многокомпонентные поры (> 200 нм), что указывает на то, что наночастицы TiO ₂ могут улучшить структуру пор и уменьшить пористость [48].Напротив, было обнаружено, что при низких температурах вредные и множественные поры увеличиваются, тогда как безвредные и маловредные поры уменьшаются, что демонстрирует, что низкая температура оказывает неблагоприятное влияние на развитие структуры пор. Из рисунка 4 (b) видно, что наиболее вероятные размеры пор в образце, содержащем наночастицы TiO ₂ , также были меньше по сравнению с обычным образцом, что указывает на то, что размер пор геля уменьшился из-за добавления наночастиц TiO ₂ [49 ].На основании этих двух индексов можно обнаружить, что включение 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ оптимизировало распределение пор в образцах, хотя общая эффективность снижалась из-за низких температур. Это может быть причиной того, что образцы, модифицированные 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ , показали превосходные характеристики механической прочности, поскольку прочность образца тесно связана с его пористостью и микроструктурой.

Для образцов без наночастиц TiO ₂ общий удельный объем пор увеличивался по мере снижения температуры отверждения, и наиболее вероятный размер пор также увеличивался, что указывает на то, что низкие температуры ухудшили структуру пор образцов и увеличили их пористость.Следовательно, прочность образца была нарушена низкими температурами. Наночастицы TiO ₂ , благодаря своим особенностям, могут заполнять поры в образце цемента и действовать как ядро ​​для осаждения продуктов гидратации, создавая, таким образом, однородную и плотную структуру, что может объяснить соответствующее изменение прочности.

Однако даже с добавлением наночастиц TiO ₂ поровая структура образца цемента вряд ли может быть улучшена при 0 ° C. Основная причина этого явления заключается в том, что низкая температура подавляет реакцию гидратации каждого компонента цемента и уменьшает взаимное движение между молекулами, особенно при 0 ° C, что приводит к общему снижению реакции гидратации и, в конечном итоге, к плохому развитию структура пор.

3.3. Термогравиметрический анализ

Согласно выводам предыдущих исследователей, обычно считается, что при температуре от 30 до 120 ° C испаряемая вода из затвердевшего цементного теста удаляется, а разложение гидроксида кальция (CH) происходит при температуре от 400 до 550 ° C. C, а декарбонизация карбоната кальция (CaCO ₃ ) происходит между 700 и 900 ° C [50]. Основываясь на этой теории, термогравиметрический анализ был проведен на обычном цементном тесте и пасте с 2 мас.% TiO ₂ наночастиц, отвержденных при различных температурах отверждения в течение 28 дней для изучения потери массы образцов, подвергнутых повышенной температуре, и содержания CH представлены на рисунке 5. Точнее, часть CH может участвовать в процессе. карбонизации вместе с C3S, C2S и CSH [51]. Однако довольно сложно количественно оценить потерю массы CH в процессе карбонизации, и в результате содержание CH, рассчитанное на основе потери массы в температурной области 400–550 ° C, обычно выбирается в качестве показателя для описания гидратации. степень паст.Содержание CH можно определить по следующему уравнению: где — процентное содержание CH, и — потери массы образцов при 400 ° C и 550 ° C, соответственно, и — молярные массы CH и воды, которые составляют 74,10 г / моль и 18,02 г / моль соответственно.

Результаты показали, что содержание CH в цементных пастах неуклонно увеличивалось при повышении температуры отверждения с 0 ° C до 20 ° C независимо от наличия или отсутствия наночастиц TiO ₂ , демонстрируя, что низкая температура ингибирует процесс гидратации цемента.Напротив, цементные пасты с наночастицами TiO ₂ имели больше содержания CH по сравнению с обычными цементными пастами, потому что наночастицы TiO ₂ могли улучшать гидратацию цемента из-за его характеристики высокого отношения площади поверхности к объему. Результаты термогравиметрического испытания очень хорошо согласуются с испытанием на прочность, поскольку образование большего количества CH из-за реакции гидратации C ₃ S и C ₂ S напрямую иллюстрирует большее образование гелей CSH, что приводит к повышению прочности. .

3.4. Рентгеновская дифракция

Рентгеноструктурный анализ был проведен на обычной цементной пасте и пасте с 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ при различных температурах отверждения в возрасте 28 дней, и результаты показаны на рисунке 6. Из рисунка 6 ( 6), можно наблюдать, что дифракционные пики наночастиц TiO ₂ появляются при 25,33 °, 36,25 ° и 42,33 °, что указывает на то, что наночастицы TiO ₂ не участвовали в гидратации цемента, а только предоставляли дополнительное пространство для прикрепление продуктов гидратации, таких как гидроксид кальция (CH), гели CSH и эттрингит.Следует отметить, что, несмотря на колебания температуры отверждения, дифракционные пики CH при 29,63 °, 47,73 ° и 48,77 ° были более интенсивными в цементном тесте, содержащем 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ по сравнению с соответствующими пиками. пики в обычном цементном тесте показаны на рисунке 6 (а). Между тем, интенсивность дифракции гелей CSH и эттрингита при 23,22 °, 39,20 ° и 39,65 ° в цементном тесте, содержащем 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ , также увеличилась, демонстрируя, что роль наночастиц TiO ₂ в ускорении гидратация цемента.

В сочетании с рисунками 2 и 5 дифракция XRD согласуется с результатами анализа степени гидратации и термогравиметрического анализа. Степень гидратации была увеличена за счет 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ , так как в процессе гидратации образовывалось больше гелей CH и C-S-H с увеличением дифракционных пиков гелей CH и C-S-H. А с понижением температуры отверждения количество гелей CH и C-S-H уменьшилось, а соответствующие дифракционные пики также уменьшились, что, в свою очередь, подтвердило результаты степени гидратации.

3.5. Анализ SEM

Микроструктурные изображения обычного цементного теста и пасты с добавлением 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ наночастиц, отвержденных при различных температурах в возрасте 28 дней, показаны на рисунках 7 и 8. Микроструктуры обычного цементного теста при разных температурах отверждения можно заметить на рисунке 7. В свете результатов механической прочности и пористости, прочность на сжатие и изгиб образцов, отвержденных при 0 ° C, была ниже по сравнению с образцами, отвержденными при более высоких температурах, а распределение пор было сравнительно более грубым при 0 ° C. .Соответственно, изображение цементного теста при 0 ° C, показанное на Рисунке 7 (а), показало неплотно упакованную микроструктуру с меньшим количеством продуктов гидратации, что согласуется с вышеупомянутыми испытаниями. С повышением температуры отверждения образовывалось больше гидратированных продуктов, содержащих кристаллы CH и гели CSH, как показано на рисунках 7 (b) –7 (d), на изображениях SEM было обнаружено больше гелей CSH, и микроструктуры оказались намного более плотными. .

С введением 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ процесс гидратации был ускорен, и было произведено больше продуктов гидратации, как показано на Рисунке 8, а в качестве дополнительного пространства для осаждения продуктов гидратации нетрудно обнаружили, что гели CSH и эттрингит образовывались на поверхности наночастиц TiO ₂ с увеличением срока отверждения, тем самым способствуя образованию более плотной и тесно связанной микроструктуры.Однако общее улучшение наночастиц TiO ₂ все еще было ослаблено низкими температурами, и пасты, отвержденные при 20 ° C, имели более плотную микроструктуру с большим количеством связанных вместе гелей C-S-H и эттрингита, чем пасты, отвержденные при низких температурах, особенно при 0 ° C. Эта эволюция изображений SEM показала, что наночастицы TiO ₂ , несмотря на химическую инертность по отношению к цементу, могут ускорять гидратацию цементного теста, тем самым улучшая развитие прочности при низких температурах благодаря его особым характеристикам.

4. Выводы

В настоящем исследовании оценивались физико-механические свойства вяжущих материалов без и с различными дозами наночастиц TiO ₂ при температурах отверждения 0, 5, 10 и 20 ° C, а также был использован микроструктурный анализ. для объяснения и проверки результатов физических и механических испытаний. На основании результатов экспериментов можно сделать следующие выводы: (1) Низкая температура оказала нежелательное влияние на время схватывания цементных паст, в то время как с введением наночастиц TiO ₂ время схватывания паст значительно сократилось, и более того. При добавлении наночастиц TiO ₂ время схватывания короче.(2) Было обнаружено, что степень гидратации повышалась с увеличением времени отверждения и температуры отверждения, и наночастицы TiO ₂ обладали способностью ускорять гидратацию цемента. (3) Увеличивать дозировку TiO _{2 Наночастицы} не обязательно улучшали развитие прочности цементного раствора, и оптимальная добавка составляла 2 мас.% В этом исследовании, а прочность демонстрировала тенденцию к снижению, когда дозировка наночастиц TiO ₂ превышала 2 мас.%.(4) Результаты МИП показали, что с включением 2 мас.% Наночастиц TiO ₂ объем пор и наиболее вероятный размер пор стали меньше, демонстрируя гораздо более плотную микроструктуру цемента. (5) TiO ₂ наночастицы, хотя и инертны по отношению к цементу, могут ускорить гидратацию цемента, тем самым способствуя образованию большего количества продуктов гидратации, что может быть подтверждено рентгеноструктурным тестом, проведенным на цементном тесте в возрасте 28 дней. (6) С добавлением TiO ₂ наночастиц, новый гидрат в цементных пастах не образовывался, но по сравнению с обычными цементными пастами дифракционные пики продуктов гидратации были более интенсивными.Низкие температуры замедляли гидратацию цемента со слабыми дифракционными пиками во всех цементных пастах. (7) Объяснение морфологии, полученной с помощью теста SEM на обычном цементном тесте и пасте с 2 мас.% TiO ₂ наночастиц, отвержденных при разных температурах в возрасте 28 дней. экспериментальные результаты. Образец с наночастицами TiO ₂ показал сравнительно более плотную микроструктуру с тесно связанными гелями C-S-H и эттрингитом.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, доступны у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Это исследование было поддержано Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов Университета Чанъань (№ 300102218523). Некоторые экспериментальные исследования, такие как анализ SEM и термогравиметрический анализ, были проведены в Сианьском университете Цзяотун, и настоящим признаем это.

.

Влияние температуры смешивания и отверждения на развитие прочности и структуру пор массового бетона с добавлением золы-уноса

развитие прочности высокопрочного бетона. Бетонные стены были спроектированы с использованием трех разных размеров и трех разных типов бетона. Эксперименты проводились в типичных летних и зимних погодных условиях.Были записаны истории изменения температуры в разных местах в стенах и измерены изменения прочности бетона в этих местах. Основными исследованными факторами, влияющими на развитие прочности полученных образцов, были содержание связанной воды, продукты гидратации и структура пор. Результаты испытаний показали, что повышенные летние температуры не повлияли на увеличение прочности в раннем возрасте бетона, изготовленного с использованием обычного портландцемента. Развитие прочности было значительно увеличено в раннем возрасте в бетоне, сделанном с использованием богатого белитом портландцемента или с добавлением летучей золы.Повышенные температуры привели к длительной потере прочности как в бетоне с высоким содержанием белита, так и в бетоне, содержащем летучую золу. Долговременная потеря прочности была вызвана снижением степени гидратации и увеличением общей пористости и количества более мелких пор в материале.

1. Введение

Высокоэффективный бетон все чаще используется при строительстве высотных зданий, мостов и морских сооружений. Если для колонн или других элементов большого сечения массивных бетонных конструкций используется высокопрочный бетон, центральная температура элементов будет быстро расти в раннем возрасте из-за тепла гидратации, и высокие температуры будут оставаться в элементе в течение относительно длительного периода времени. из-за низкой теплопроводности бетона.Высокие температуры, как правило, ускоряют развитие прочности бетона в раннем возрасте, снижая при этом длительное развитие прочности. Эти повышенные температуры приведут к физическим и химическим превращениям в бетоне [1–7]. Различные исследователи изучили микроструктуру и гидратацию, чтобы объяснить эти эффекты. Сообщалось, что потеря долговременной прочности вызвана как физическими, так и химическими воздействиями. Физические эффекты заключаются в увеличении пористости и увеличении числа микротрещин в цементном тесте, последнее вызвано большими различиями в коэффициентах теплового расширения бетона [8–18].К химическим эффектам относятся изменения структуры продуктов гидратации и потеря воды в бетоне [19–24]. Большинство исследований цементного теста, раствора и бетона проводилось с образцами, гидратированными при комнатной температуре, на ровной поверхности и на ранних стадиях гидратации. Недостаточно информации о высокоэффективном сырном сырье при повышенных температурах в массовых конструкциях. В технической литературе очень мало исследований о влиянии внешних погодных условий на развитие прочности высокоэффективного бетона в массовых конструкциях.

Это исследование предоставило данные, необходимые для установления ограничения на максимально допустимую внутреннюю температуру массовой конструкции, такой как конструкция ядерной установки, фундамент моста или морское сооружение, чтобы гарантировать прочность и долговечность конструкции. В этой статье мы сообщим о некоторых экспериментальных работах по изучению увеличения прочности на сжатие при различных температурах во время смешивания, укладки и отверждения бетона в массовых конструкциях. Бетонные стены были спроектированы с тремя разными глубинами, равными 1.5 м, 0,8 м и 0,3 м, состоящий из трех разных типов бетона и обработанный в двух разных климатических условиях. Были записаны истории изменения температуры в различных местах стен и представлены прочность на сжатие, степень продуктов гидратации и микроструктура бетона в этих местах.

2. Схема эксперимента

2.1. Смесь и материалы

В этом исследовании использовались три типа бетона: бетон, изготовленный из обычного портландцемента (OPC), с богатым белитом портландцементом (BPC) и с обычным портландцементом с добавлением 40% летучей золы (FPC).Этот уровень летучей золы все чаще используется для изготовления высококачественного бетона в массовых конструкциях. Свойства цемента показаны в таблице 1. Зола уноса, соответствующая JIS A 6201, имела свойства, указанные в таблице 2. Заполнитель состоял из щебня песчаника (максимальный размер: 20 мм, плотность: 2,65 г / см. ³ , абсорбция: 0,72% и модуль крупности: 6,0) и строительный песок (плотность: 2,58 г / см3, абсорбция: 2,07% и модуль крупности: 2,69). В качестве добавок использовались восстановитель воздуха и восстановитель воды с высоким содержанием воды.Их количество приведено в таблице 3. Бетон смешивали в двухвальном смесителе (200 л). После первого перемешивания раствора в течение 50 секунд был добавлен крупный заполнитель, и полученный бетон перемешивался еще 90 секунд. Смешивание проводилось летом и зимой, чтобы обеспечить два типа погодных условий. В Таблице 3 представлены состав и свойства свежего бетона.

Цемент Blaine (см 2 / г) Плотность (г / см 3 ) Минералогические свойства (%) C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF OPC 3280 3.16 52 24 9 9 BPC 4080 3,20 29 54 3 8

Иг. потери (%) Удельный вес Тонкость помола Процент текучести (%) SiO 2 (%) CaO (%) Al 2 O 3 (%) 45 µ м Остаточное количество на сите (%) Блейн (см 2 / г) 0.9 2,27 2,3 3890 110 33,2 42,3 14,1

C Бетон W S / A Содержание единицы (кг / м 3 ) Вода Цемент Летучая зола Песок Гравий OPC-S 0 .33 0,49 170 516 — 787 840 BPC-S 0,33 0,53 170 516 — 854 776 FPC-S 0,33 0,50 170 310 206 774 776 OPC-W 0,33 0,49 170 516 — 787 840 BPC-W 0.33 0,53 170 516 — 854 776 FPC-W 0,33 0,50 170 310 206 774 776 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 Бетон S / A Химический агент Химический агент Осадка (см) Расход (см) Воздух (%) Темп. (° C) OPC-S 0,49 C × 1,2% C × 0,001% 22,0 38,5 4,9 31 BPC- S 0,53 C × 1,3% — 63,5 4,8 30 FPC-S 0,50 C × 1,0% — 63,0 4.4 30,5 OPC-W 0,49 C × 1,2% C × 0,001% 23,5 42,0 4,1 8,5 BPC-W 0,53 C × 1,3% — 61,5 4,2 10 FPC-W 0,50 C × 1,0% — 61,2 4,2 8,5

Водовосстанавливающий агент высокого диапазона, SP8 SX 2 .Восстановитель воздуха, MA404.

2.2. Проектирование модельных стен и отверждение

Чтобы исследовать изменение длительной прочности реальных бетонных стен при различных температурах отверждения, были спроектированы три модельных стены. Модельные стены показаны на рисунке 1. Глубина стен была аналогична глубине стен на реальной атомной электростанции, а именно 1,5 м, 0,8 м и 0,3 м. Чтобы имитировать реальную длинную стену, периметр в направлении глубины стены был изолирован слоем полистирола толщиной 200 мм, а квадратные поверхности стены были выставлены на открытый воздух.Стены были отлиты из фанерной опалубки толщиной 20 мм. Опалубку сняли через 72 часа после заливки. Керновые цилиндры (100 × 200 мм) были сняты со стенок через 3, 7, 28 и 91 сутки и использованы для измерения прочности на сжатие, структуры пор и продуктов гидратации. Для сравнения, бетонные цилиндры также отливали в стальных формах. Все цилиндры были извлечены из стальных форм через 24 часа после литья. Герметичные цилиндры герметично закрывали полиэтиленовой пленкой и затем хранили в камере для отверждения при 20 ° C.Стандартные отвержденные цилиндры хранили в воде при 20 ° C.

2.3. Процедура испытания

Температурные характеристики в различных местах стен были записаны с помощью термопар, показанных на рисунке 1. Сердечники, стандартные и герметичные цилиндры были испытаны на прочность на сжатие через 3, 7, 28 и 91 день. Часть бетонных цилиндров была разрезана на кубики примерно 5 мм с помощью алмазной пилы. Эти фрагменты немедленно погружали в ацетон для предотвращения дальнейшей гидратации.После этого все фрагменты были высушены методом D в течение примерно 2 недель. Затем фрагменты тщательно измельчали ​​вручную до получения порошка образца, который мог проходить через сито 45 мкм мкм и подходил для определения содержания гидроксида кальция (CH) и содержания связанной воды. Количество гидроксида кальция определяли с помощью дифференциального сканирующего калориметра (ДСК). Количество гидроксида кальция определяли экспериментами по потере возгорания. Пористость и распределение пор по размерам определяли с помощью ртутной порометрии (МИП).Приложенное давление составляло от нуля до 240 МПа. Кубики 5 мм для измерений MIP также подвергались D-сушке в течение примерно 2 недель перед испытанием.

3. Результаты тестирования и обсуждение

3.1. Развитие температуры

Температурные характеристики бетонных стен показаны на рисунке 2. Летом (температура 32 ° C) максимальная температура в центре стен глубиной 1,5 м, сделанных из OPC, BPC и FPC, составляла 94 ° C, 78 ° C и 80 ° C соответственно. Максимальная температура была достигнута через 22 часа после заливки в OPC и через 31 час после заливки в BPC, а FPC — через 34 часа.Максимальная температура на поверхности тех же элементов составляла 74 ° C, 60 ° C и 55 ° C соответственно. Разница температур между центром и поверхностью бетона была наибольшей в смеси FPC. Повышение температуры в стенах из FPC было меньше, чем в стенах из BPC, за исключением центра стены глубиной 1,5 м. Стены из FPC толщиной 1,5 м показали значительное повышение температуры из-за увеличения скорости пуццолановой реакции летучей золы. Это можно объяснить скрытыми гидравлическими свойствами летучей золы.Согласно Fraay et al. [25], стекломатериал в летучей золе разрушается, когда значение pH поровой воды составляет, по крайней мере, около 13,2. Повышение щелочности, необходимое для реакции летучей золы, достигается за счет реакции портландцемента. Соответственно, более медленная гидратация приводит к более постепенному повышению температуры. Кроме того, высокая повышенная температура в стене FPC поддерживалась в течение относительно длительного периода времени. В зимних условиях (температура 9 ° C) история температуры, полученная в месте расположения каждой стены, отражала разницу в температуре наружного воздуха между летом и зимой.Начальная температура смешивания существенно повлияла на максимальную пиковую температуру и период задержки.

3.2. Повышение прочности на сжатие

Прочность на сжатие основных, стандартных и герметичных образцов бетона, изготовленных в летних и зимних условиях, приведена в таблице 4. Прочность на сжатие стандартного образца, отвержденного в воде при 20 ° C, была выше, чем у стандартного образца, отвержденного в воде при 20 ° C. запаянный образец. Общеизвестно, что низкое соотношение воды к бетонной смеси приводит к возможности самовысыхания и ограничению продолжающейся гидратации цемента, что объясняет различную прочность между образцами.Таким образом, наличие внешней воды требуется, чтобы гидратация продолжалась без ограничений. Рост прочности бетона, изготовленного в зимних погодных условиях, был быстрее, чем у бетона, изготовленного в летних условиях, как для стандартных, так и для герметичных образцов. Эти результаты очень интересны, потому что мы обычно думали, что высокая температура смешивания увеличивает прочность на сжатие в раннем возрасте. Прочность на сжатие образца сердечника была выше, чем у стандартного образца в раннем возрасте из-за более высоких температур, достигнутых в сердечнике.Однако стена глубиной 1,5 м, сделанная в летних условиях с использованием OPC, вела себя иначе. В этом образце повышенная температура не влияла на развитие силы ни в каком возрасте. В OPC прочность образца керна, изготовленного в зимних условиях, была значительно выше, чем у сопоставимого образца, изготовленного в летних условиях. Этого не произошло с бетоном, изготовленным из БПК и ФПК. В этих образцах прочность образцов керна, изготовленных в зимних условиях, была ниже, чем у образцов, изготовленных в летних условиях.Летом прочность сердцевины образцов БПК значительно увеличилась во всех возрастных группах, независимо от размеров стен. Однако зимой развитие прочности BPC было ниже, чем у OPC, за исключением образца керна в центре стены глубиной 1,5 м в самом большом возрасте.

900 60,7 Бетон (летний) Отверждение состояние Прочность на сжатие (МПа) Бетон (зима) Отверждение состояние Прочность на сжатие (МПа) 3 дня 7 дней 28 дней 91 день 3 дня 7 дней 28 дней 91 день OPC-S Стандартный 47.9 59,2 69,7 78,9 OPC-W Стандартный 51,4 65,5 78,8 82,4 Герметичный 43,8 54,6 60,5 69,7 Герметичный 46,0 57,7 68,4 74,5 1,5 мС 51,7 55,8 60,3 60,9 1,5 мС 64.0 71,7 73,7 74,0 1,5 мс 47,9 49,2 59,2 60,3 1,5 мс 56,7 58,3 72,1 72,9 0,8 мСм 54,9 58,7 0,8 мС 72,1 74,6 0,8 мС 56.3 59,5 0,8 мс 70,3 74,0 0,3 мСм 57,8 62,6 0,3 мС 67,8 69,8 BPC-S Стандартный 33,9 45,8 74,4 87,5 BPC-W Стандартный 34.6 49,4 81,2 90,1 Герметичный 33,8 41,0 63,9 81,0 Герметичный 33,3 43,0 66,6 77,2 1,5 мC 63,8 64,6 69,3 1,5 мС 56,2 64,4 75,1 78,6 1,5 мС 48.5 58,0 62,6 65,7 1,5 мСм 37,0 44,4 61,5 73,0 0,8 мС 67,5 70,1 0,8 мС 66,8 70,1 0,8 мСм 64,2 69,4 0,8 мСм 60.6 73,8 0,3 мС 67,7 70,4 0,3 мС 58,7 72,2 FPC-S Стандартный 26,6 38,7 55,0 70,1 FPC-W Стандартный 28,4 42,5 59,1 75,7 Герметичный 22.8 34,5 48,9 65,4 Герметичный 28,3 35,2 47,7 59,6 1,5 мС 46,9 52,7 55,5 54,0 1,5 мС 38 55,9 57,6 62,7 1,5 мс 39,9 46,8 52,3 55,5 1,5 мс 26,8 39.7 47,7 57,8 0,8 мСм 50,8 56,1 0,8 мС 51,2 64,3 0,8 мС 53,5 58,7 0,8 мСм 48,3 56,1 0,3 мСм 55,0 59.2 0,3 мС 46,0 64,6

Влияние температуры на прочность на сжатие можно четко описать в терминах отношения относительной прочности, определенного по отношению к прочности стандартного образца, отвержденного в воде при 20 ° C. Используя эту меру, на рисунке 3 показано влияние температуры на все данные по прочности на сжатие для трех типов бетона.Как показано на Рисунке 3, центр стены глубиной 1,5 м, выполненной в летних условиях с использованием OPC, имеет 3-дневную прочность на сжатие, которая составляет 108% от прочности при стандартных условиях. Напротив, образцы из центра стены 1,5 м, сделанные из BPC и FPC, имеют 3-дневную прочность на сжатие, которая составляет 180% и 176% от стандарта. Однако через 91 день отношения прочности упали до 77%, 79% и 77% от стандарта соответственно для образцов OPC, BPC и FPC. Развитие прочности образца керна, изготовленного из OPC, не было связано с максимальной внутренней температурой в раннем возрасте.Однако использование портландцемента с высоким содержанием белита и летучей золы значительно увеличило развитие прочности при высоких температурах. На рис. 4 показаны результаты испытаний бетона, выдержанного в зимних погодных условиях, на прочность при сжатии. Прочность на сжатие в течение 3 дней в центре стены глубиной 1,5 м, изготовленной с использованием OPC, составляет 125% от прочности бетона, полученного при стандартных условиях твердения. Центр стены 1,5 м, сделанный из BPC и FPC, имел 3-дневную прочность на сжатие, которая составила 162% и 135% от показателей стандартного образца.В 91 день. Тем не менее, отношения прочности составляли 90%, 87% и 83% для OPC, BPC и FPC соответственно. Прочность бетона зимнего отверждения впервые упала ниже прочности стандартных образцов через 7 дней.

3.3. Продукты гидратации

На рисунке 5 показано изменение количества связанной воды в продуктах гидратации материала, произведенного в летних погодных условиях. Количество связанной воды в образце керна, отвержденном при высокой температуре, было больше, чем в стандартном образце в раннем возрасте.Однако через 7 дней в образце OPC и через 28 дней в образцах BPC и FPC содержание связанной воды в этих образцах керна было ниже, чем в стандартном образце. Роджер и Гровс [21] предположили, что гидратация при нормальных температурах дает достаточно времени для того, чтобы продукт гидратации диффундировал и осаждался относительно равномерно во всем промежутке между зернами цемента. Но ускоренная гидратация за счет повышенной температуры отверждения не дает времени для диффузии гидратов.Следовательно, это приведет к сильно неравномерному распределению гидратированных продуктов в пасте. Неоднородность приводит к снижению прочности при длительном времени отверждения. Добавление летучей золы увеличивает содержание связанной воды в раннем возрасте для образца керна, отвержденного при высокой температуре, возможно, потому, что повышение температуры отверждения увеличивает скорость гидратации цемента и пуццолановых реакций. Пуццолановая реакция способствует снижению концентрации ионов кальция в жидкой фазе, что связано с ускорением растворения кальция из зерен цемента [26].

Изменение количества гидроксида кальция показано на рисунках 6 (a) и 6 (b). Количество гидроксида кальция в образце керна, изготовленном с помощью OPC, выше, чем в стандартном образце, поскольку оно напрямую связано со степенью гидратации. В массовой структуре более высокая температура приводит к увеличению степени гидратации. Однако никаких существенных различий в содержании гидроксида кальция не было обнаружено ни в одном из образцов BPC. Использование летучей золы снижает количество гидроксида кальция из-за пуццолановой реакции, поэтому образцы, изготовленные с помощью FPC, показали меньше гидроксида кальция, чем стандартный образец.Пуццолановая реакция в FPC ускоряется с увеличением начальной внутренней температуры, и поэтому более толстая стенка содержит меньше гидроксида кальция, чем более тонкая стенка.

3.4. Структура пор

На рисунках 7 (a) и 7 (b) показаны результаты определения пористости с помощью MIP. Общая пористость образцов на основе ОРС в центре стены глубиной 1,5 м, отвержденных в летних условиях, была на 2,3% меньше, чем у стандартного образца за 3 дня. Сопоставимые значения для образцов BPC и FPC показали 5.Снижение 0% и 2,0% соответственно. Через 7 дней общая пористость образцов керна начала увеличиваться с повышением температуры бетона. Общая пористость материалов BPC и FPC показала небольшое увеличение через 28 дней и значительное увеличение через 91 день. Добавление пуццолановых материалов увеличивает общую пористость. Palardy et al. [18] объяснили, что растворение выщелачивания кальция происходит в основном из-за гидроксида кальция и разложения эттрингита при высокой температуре, что будет способствовать увеличению пористости.

Общая пористость бетона, изготовленного в зимних условиях, была меньше, чем у бетона, изготовленного в летних условиях. В частности, для образцов OPC и BPC количество более крупных пор, превышающих 100 нм, было заметно уменьшено по сравнению с образцами, отвержденными летом. Как показано на рисунке 7, распределение пор по размерам также изменилось с увеличением температуры бетона. С повышением температуры количество более крупных пор уменьшалось, а количество более мелких пор увеличивалось, особенно для пор в диапазоне размеров от 5 до 50 нм, как измерено с помощью MIP.Это говорит о том, что по мере протекания процесса гидратации размеры пор уменьшаются, а пик кривой распределения смещается в сторону мелких пор.

4. Выводы

Основные выводы данной статьи можно резюмировать следующим образом.

(1) Было показано, что тип вяжущего материала, размер элемента конструкции и климат отверждения существенно влияют на начальную внутреннюю температуру массивных бетонных конструкций. Повышенные температуры не повлияли на увеличение прочности в раннем возрасте бетона, изготовленного из обычного портландцемента, отвержденного в летних погодных условиях, но бетон, сделанный из портландцемента с высоким содержанием белита или летучей золы, показал значительное увеличение прочности в раннем возрасте.Повышенные температуры привели к длительной потере прочности всех материалов.

(2) Содержание связанной воды в образцах керна, отвержденных при повышенных температурах, было больше, чем в стандартных образцах в раннем возрасте. Однако содержание связанной воды было ниже, чем в стандартном образце, через 7 дней для образца OPC и через 28 дней для образцов BPC и FPC. Эта тенденция может быть связана с аналогичной тенденцией в отношении прочности на сжатие.

(3) Использование летучей золы в конструкциях из массивного бетона снижает количество гидроксида кальция из-за пуццолановой реакции.Пуццолановая реакция ускоряется с увеличением начальной внутренней температуры, и, следовательно, меньше гидроксида кальция присутствует в летних условиях отверждения.

(4) Общая пористость образцов керна, отвержденных при повышенных температурах, была выше, чем у стандартного образца. Пористость, по-видимому, увеличилась через 7 дней в материале OPC и через 28 дней в материалах BPC и FPC. Общая пористость бетона, изготовленного в зимних погодных условиях, была меньше, чем в летних.Из-за повышенных внутренних температур в структурах пик кривой распределения пор по размерам был смещен в сторону более мелких пор, и количество более мелких пор увеличилось.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была проведена в рамках проекта Спецификации 5 N стандарта архитектуры Японии. Это r

.

No related posts.