Co zvyšuje pevnost betonu?

Prazdnikov, A. A. Metody pro zvýšení počáteční pevnosti zimního betonu / A. A. Prazdnikov. — Text: přímý // Mladý vědec. — 2020. — Č. 16 (306). — s. 171-175. — URL: https://moluch.ru/archive/306/69003/ (datum přístupu: 30.12.2024).

Článek analyzuje stadia tuhnoucích a hydratačních reakcí cementu. Byl stanoven vztah mezi rychlostí hydratace cementových minerálů a počáteční pevností betonu. Počáteční pevnost betonu hraje při zimní betonáži velmi důležitou roli. Průběh destruktivních procesů v plném betonu závisí na pevnosti betonu před zmrznutím. Minerály, produkty hydratace cementu, mají různou rychlost tvorby a různou pevnost. Slabé minerály se tedy tvoří na samém začátku tuhnutí a mají nízkou pevnost. A tyto slabé minerály v cementovém sítu zabraňují tvorbě silnějších minerálů. Technologickým způsobem rozrušení slabých vazeb cementových minerálů je vibrační izolace betonové směsi. Opakované vibrace rozbijí tyto nové cementové formace s možností tvorby pevnějších cementových minerálů. Počet slabých novotvarů při hydrataci cementu závisí na jeho mineralogickém složení. Doba a intenzita vibrací pro optimalizaci pevnosti zimního betonu se nastavují individuálně v závislosti na druhu cementu a klimatických podmínkách stavby. Jsou uvedeny výsledky srovnávacích experimentů vlivu velikosti vibrací betonové směsi na pevnost zimního betonu.

Naléhavost problému spočívá v potřebě zvýšení trvanlivosti materiálů a produktů získaných z vícesložkových chemických sloučenin. Beton a železobeton jsou v podstatě produkty chemické přeměny suchých, zrnitých složek na pevnou horninu po velké vzájemné interakci v přítomnosti vody. A jak se projeví reakce mezi složkami betonu a zda bude primárně záviset na vnějších vlivech. Staletí stará stavební praxe, založená na použití různých materiálů, umožnila vyvinout řadu speciálních technologií, které reagují na odpovídající změny prostředí [1], zejména pro výstavbu monolitických železobetonových budov.

Tato technologie zvyšuje efektivitu výstavby a umožňuje řadu architektonických, výrazových a prostorových řešení. Tyto a další výhody betonu nejsou plně realizovány, protože vzorce interakce, které tvoří rysy těchto systémů, jsou založeny na deformovatelnosti, pevnostních charakteristikách, které nebyly dobře pochopeny v raných lyofilizovaných betonech.

Vlastnosti hotové monolitické betonové konstrukce jsou dány vlivem teploty, vlhkosti a možností hydratace cementu při teplotách pod bodem mrazu. Při hydrataci cementu vznikají různé minerály [1–3]. Minerály nové cementové formace mají různou sílu a rychlost tvorby. Nejslabší cementové minerály [4–6] se tvoří v počátečním okamžiku tvrdnutí betonu a chrání před tvorbou nejsilnějších cementových minerálů [7]. Počáteční teplota betonové směsi a teplota okolí mají navíc významný vliv na kvalitu hotového monolitického betonu.

Analytické řešení problémů

Bylo zjištěno, že hlavními faktory ovlivňujícími pevnost jsou rozdílná schopnost betonu vstupovat do chemických reakcí v závislosti na teplotě a vlhkosti prostředí a době působení těchto podmínek na tvrdnutí betonu. Míra vlivu technologických a provozních vlivů na vlastnosti transportního betonu a malty je určena experimentálním stanovením pevnosti, tepelných vlastností a analytickými závislostmi sestavenými na základě výzkumu. Byly stanoveny podmínky pro vytvoření požadovaných vlastností betonu a pro řešení technologických vlivů [8]. Byly stanoveny charakteristiky stavu betonu po krátkodobém a dlouhodobém zamrzání, pevnost v tlaku a v tahu po rozmrazení. Závislost pro výpočet externích aplikací záporných teplot je formalizována. Byl odhalen vztah mezi pevností v tlaku a pevností v tahu s chemickými přísadami [9].

Nejdůležitějším parametrem technologie zimní betonáže je doba trvání a doba chvění betonové směsi. Mnoho autorů však vibraci betonové směsi považuje pouze za způsob hutnění a ukládání betonu [10–12]. Vibrace se nepovažují za faktor aktivace cementu.

Účel azadachi issledovaniya

Účelem výzkumu je vyvinout nápady pro zpevňování betonu mrazem rozkladem slabých cementových minerálů opakovanými vibracemi. Pro dosažení cíle studie je nutné vyřešit následující problémy: stanovit dobu opakovaného působení vibrací na betonovou směs. Doba opakovaných vibrací by měla být vztažena k rychlosti tvorby hydrosilikátů vápníku a hydroaluminátů, jako jsou hydrohlinitany vápníku 4CaO * Al₂O₃ *19H₂O a 3CaO*Al₂O₃ * 3 CaSO₄ *31H₂O, oxenit CaO*2SiO₂ *2H₂O. Opakované vibrace rozbijí tyto nové cementové formace a bude možná tvorba pevnějších cementových minerálů, jako je Hillebrandite 2CaO*SiO₂ *1,17H₂O, fosagit.

Metodika výzkumu

Jsou známy způsoby zhutňování betonové směsi vibrováním a převibrováním, aby se maximalizovalo její zhutnění. Nevýhodou známých metod je nízká pevnost betonu v počátečním období jeho tvrdnutí [13].

Technického výsledku je dosaženo tím, že opakované kmitání betonové směsi ničí rychle zvlhčující a slabé cementové minerály, čímž je zajištěna hydratační reakce silnějších cementových minerálů.

Jak je znázorněno na obrázku 1, koncentrace pojiv v roztoku vždy prochází maximem a lze ji považovat za mezistupeň procesu sekvenční hydratace. V důsledku toho lze změnou koncentrace původního pojiva rozpuštěného v kapalné fázi v průběhu času určit, kdy a který z procesů – rozpouštění pojiva nebo uvolňování nádorů – je nejpomalejší limit z celého průběhu hydrataci jako celek.

Všechna minerální pojiva lze rozdělit do dvou typů: rychle tvrdnoucí (například hemihydrát síranu vápenatého) a pomalu tvrdnoucí (silikátové složky portlandského cementu) pro rychle tuhnoucí pojiva, jejichž rychlost rozpouštění je velmi vysoká, za poměrně dlouhou dobu. dlouhá doba (až 20–30 % celkové doby hydratace), rychlost procesu omezuje krystalizaci nové fáze.

Svědčí o tom přítomnost plató na křivce 1 (obr. 1), jejíž výška v tomto případě odpovídá rozpustnosti pojiva a nezávisí na tvrdosti vody, i když se výrazně mění. Proces rozpouštění pro taková pojiva se stává omezujícím až poté, co jejich koncentrace v roztoku začne klesat, protože v důsledku toho krystalizace látky za jednotku času překročí množství materiálu vstupujícího současně do kapalné fáze v důsledku rozpouštění původního pojiva.

U pomalu tuhnoucích pojiv je maximum na křivce změny koncentrace (křivka 2 na obrázku 1), odpovídající stavu dCmax/dt = 0, dosažené v čase t kr.

Neúměrné až do dokončení procesu hydratace větší části pojiva. To znamená, že během většiny hlavní hydratační periody je kinetika tohoto procesu omezena na fázi rozpouštění pojiva, jako nejpomalejší, a samotný proces rozpouštění probíhá v oblasti difúze. Maximální koncentrace látky v kapalné fázi u pomalu tuhnoucích pojiv zpravidla neodpovídá jejich rozpustnosti. V každém případě si nikdy nelze být jisti, že bylo dosaženo koncentrace monominerálního pojiva, která odpovídá rozpustnosti této metastabilní fáze.

Rýže. 1. Kinetika změn koncentrace látky v roztoku:
1-Síran vápenatý hemihydrát (CaSO₄), C*104Ca₂SiO₄mol/l;
2-Křemičitan vápenatý (Ca₂SiO₄C*102 CaSO₄, mol/l.

Je třeba vzít v úvahu zvláštnosti hydratačních procesů těchto dvou typů pojiv, protože existují určité kvantitativní (ale ne kvalitativní) rozdíly v jejich kinetice. Pro rychle tvrdnoucí pojiva tedy dobře známá teoretická rovnice poskytuje adekvátní aproximaci. Kolmogorov, odvozené za předpokladu, že krystalizace probíhá z kapalné fáze, rychlost nukleace center a lineární rychlost jejich růstu zůstávají po celou dobu konstantní a krystaly rostou stejnou rychlostí ve všech směrech, přičemž si zachovávají kulový tvar, dokud přicházejí do kontaktu s jinými krystaly.

Byly zkoumány metody zvýšení pevnosti betonu s přihlédnutím k technologickým parametrům přípravy betonových směsí pomocí vibrací. Teoretickým základem experimentů byl postoj známý z chemie cementu, že minerály cementového slínku mají různé rychlosti tuhnutí. A nejslabší minerály krystalizují rychleji a vylučují silnější minerály. Opakované vibrace betonové směsi trhají film hydratovaných novotvarů a urychlují hydratační procesy nejodolnějších cementových minerálů [13].

Když se vibrace opakují, slabé cementové minerály (tři vápenaté ferity a čtyři vápenaté aluminoferrity), které narušují tvrdnutí silnějších cementových minerálů (alitu a belitu), jsou zničeny a nakonec se pevnost betonu zvyšuje, všechny ostatní věci jsou stejné. .

V experimentech byly použity následující materiály: cement PC-400D, drcený žulový kámen o velikosti 10–20 mm, říční písek s průměrným rozměrovým modulem. Spotřeba materiálu na 1 m 3 betonové směsi: cement – 300 kg; Písek – 680 kg; Drcený kámen – 1325 kg; V/C = 0,5.

Betonová směs byla připravena na celý objem experimentu. Byly připraveny tři série vzorků s 9 vzorky v každé sérii. Všechny vzorky byly vibrovány na laboratorním vibračním sítu po dobu 20 sekund, poté byla 1 sada vzorků umístěna do běžné vytvrzovací komory a chladírny a zbývající vzorky byly znovu vibrovány 0,5 hodiny poté, co se betonová směs začala míchat s vodou. a 3 série byly vibrovány potřetí 1,0 hodinu od začátku míchání. Nejvhodnější doba vibrací je 10–30 sekund.

Zkouška pevnosti betonu byla provedena po 28 dnech normálního zrání a ve zmrzlém stavu při teplotě minus 20 °C, která byla před zkoušením udržována 1 den za normálních podmínek. Výsledky experimentální práce jsou uvedeny v tabulce 1.

Výsledky srovnávacích testů.

Dny

Pevnost, MPa (kg/cm 2 )

Pevnost kontrolních vzorků, MPa (kg/cm 2 )

Počet vibrací