Пропариваемые бетоны

Трудность расчетного определения Ц/В, обеспечивающего требуемую прочность бетона после пропаривания, заключается в том, что на последнюю наряду с химико-минералогическим и вещественным составом используемого цемента существенно влияют режимные параметры ускоренного твердения. Предложено значительное число уравнений регрессии прочностных показателей пропаренного бетона. Они, однако, справедливы лишь для конкретных условий и не могут быть положены в основу расчетно-экспериментального метода с широким диапазоном возможного применения.

К настоящему времени многими научными коллективами выполнены обширные исследования влияния различных технологических факторов на прочность пропаренного бетона, в результате которых создана эмпирическая база для разработки расчетных зависимостей. Особенно значительный вклад в создание этой базы принадлежит С.А.Миронову, Л.А.Малининой, Л.А. Кайсеру, Р.С.Чеховой, выполнившим в институтах НИИЖБ и ВНИИжелезобетон системные исследования по влиянию основных технологических факторов на прочность пропаренного бетона . Экспериментальные данные этих и других исследователей могут быть использованы для обоснования предлагаемого метода расчетного определения Ц/В пропариваемых бетонов, которое лежит в основе проектирования их составов. По мере применения на практике возможно развитие и совершенствование этих методик.

При проектировании составов пропариваемого бетона в отличие от бетона нормального твердения, кроме проектной или марочной прочности через 28 сут. ( ), необходимо обеспечить отпускную (распалубочную, передаточную) прочность после тепловой обработки ( ). Нормируемые прочностные параметры могут достигаться как при одинаковом, так и при различных Ц/В (табл. 4.4). В последнем случае следует установить определяющий прочностной параметр, для достижения которого требуется большее значение Ц/В. Последний, как показано на примерах в табл.4.4, может изменяться в зависимости от величины и соотношения , режима пропаривания, длительности последующего твердения.

Как следует из табл.4.4, по мере сокращения режима пропаривания и длительности последующего выдерживания, увеличения численного значения Rg^P создаются предпосылки, чтобы последняя стала определяющим прочностным параметром и наоборот. Сужению интервала необходимых Ц/В вплоть до их совпадения при сдвиге в сторону меньших значений способствует применение быстротвердеющих цементов, добавок- ускорителей твердения, оптимизация режимов тепловой обработки.

Таблица 4.4

Прочностные показатели бетона, подвергнутого тепловой обработке

Примечания: 1. Данные получены при использовании среднеалюми- натного портландцемента, среднего кварцевого песка и гранитного щебня 5-20 мм. Пропаривание бетона осуществляли при 80° по режимам 1+2+3,5+0,5 (общий цикл 7 ч) и 2+3+9+2 ч (общий цикл 16 ч).2. Под чертой указано значение необходимого Ц/В.

3. Звездочкой обозначен определяющий прочностной показатель.

Прочность пропаренного бетона в 28 сут. может отклоняться от соответствующей прочности бетона нормального твердения в меньшую или большую сторону. Исследования и практический опыт показывают, что при оптимальном режиме пропаривания можно свести к минимуму или вообще устранить снижение 28- суточной прочности. Для определения Ц/В, обеспечивающего прочность пропаренного бетона в 28-суточном возрасте, удобно использовать общую формулу (1.60) с введением мультипликативного коэффициента. Для пропаренного бетона pAi = AAiA2...A_n - мультипликативный коэффициент, харакрери- зующий влияние особенностей исходных материалов (А), необходимого значения прочности бетона и режимных параметров пропаримвания (А]), добавок-ускорителей твердения (А₂) и др.

Таблица 4.5

Коэффициенты, учитывающие влияние добавок-ускорителей твердения на прочность пропаренного бетона

Коэффициент (Aj) для пропаренного бетона с прочностью на сжатие Rg⁸ до 30 МПа, как показывает обработка многих экспериментальных данных, равен 0,85-0,95, более 30 МПа 0,95-1,05. Меньшие значения А! характерны при использовании сокращенных режимов тепловой обработки и бетонных смесей с высоким водосодержанием. Значение коэффициента А₂ можно принимать в соответствии с известными рекомендациями (табл.4.5).

Прочность бетона после пропаривания ( ) изменяется в

широком диапазоне, при этом основными факторами, определяющими ее величину, являются цементно-водное отношение (Ц/В) и активность цемента при данном режиме тепловлажностной обработки ( ).

Л.А. Кайсер и Р.С. Чехова исследовали изменение прочности бетонов после пропаривания более чем на 40 партиях цементов разного вида, химико-минералогического состава и марок. В результате анализа всей совокупности экспериментальных данных ими предложено уравнение:

где - прочность бетона в МПа через 4 ч после пропаривания по нормализованному режиму (2)+3+6+2 при 80°С (для шлако- портландцемента 90°С) на цементе с активностью после пропаривания по тому же режиму R J^p, МПа.

Таблица 4.6

Расчетные значения Rg^P , МПа

продолжение табл.4.6 Ц/В

R?

Анализ экспериментальных данных и формулы (4.2), выполненный нами, показывает, что при Ц/В<3 достаточно строго соблюдается линейная зависимость (табл.4.6).

Лишь при Ц/В>3, что встречается в практике весьма редко, можно вводить усредненную поправку на нелинейность зависимости (4.3):

При расчете составов пропариваемого бетона также как и рационально выражать формулой Боломея:

где - мультипликативный коэффициент учитывающий влияние различных факторов на прочность пропаренного бетона (К - базовый коэффициент, характеризующий влияние - коэффициент, зависящий от удобоуклады-

ваемости бетонной смеси; К₂ - коэффициент, учитывающий влияние особенностей заполнителей пропариваемого бетона;

К₃ - коэффициент, учитывающий рост прочности при введении ускорителей твердения).

Аппроксимация формулой (4.4) расчетных данных, полученных с помощью уравнения (4.2), как следует из табл.4.6, является вполне приемлемой. Значения базового коэффициента К изменяются в зависимости от Rj|^P в интервале К=0,5-0,67. При усреднении значения коэффициента К до К=0,66 для R^^p =

20-25 МПа и К=0,53 для R„^p =30-40 МПа отклонения результатов расчета Rg^P по формулам (4.2) и (4.4) не превышают 10%.

Коэффициент b в формуле (4.4) для всего диапазона значений Rg^P исследованных бетонов (табл. 4.6) отличается незначительно и его можно принять равным 0,74. Коэффициент К по мере повышения активности пропаренного цемента уменьшается (табл.4.6), что свидетельствует об определенной нелинейности влияния последней на прочность бетона. Этот вывод следует и из формулы (4.2).

Таблица 4.7

Экспериментальные и расчетные значения прочности бетона после пропаривания

продолжение табл.4.7

Примечание: Экспериментальные данные получены при использовании среднеалюминатного портландцемента, среднего кварцевого песка и гранитного щебня 5...20 мм. Пропаривание бетона осуществляли при 80 °С по режиму (2)+3+6+2 ч.

Значения коэффициента К, приведенные в табл.4.6, справедливы при использовании малоподвижных и умеренно-жестких бетонных смесей на щебне и песке средней крупности. На прочность пропаренного бетона при Ц/В = const существенно влияет водосодержание и соответственно удобоукладываемость, что можно учесть в формуле (4.4) коэффициентом K_t. Если принять для бетонов с ОК 1-4 см - Kj=l, то при ОК>9 см - Ki=0,9, Ж- 30- 50с - Ki=l,l (табл.4.7).

Влияние особенностей заполнителей пропариваемого бетона сказывается как через изменение водосодержания так и непосредственно через изменение Ц/В, необходимого для достижения заданной прочности. В последнем случае в формулу (4.4) вводится коэффициент К₂. При применении рядовых заполнителей К₂=1. Учитывая известные рекомендации, можно принять: К₂=0,95 - при применении щебня и гравия пониженной прочности или с повышенным содержанием слабых зерен, а также заполнителей с повышенным содержанием отмучиваемых частиц; К₂=0,9 - песков с модулем крупности менее 1,5.

Существенным резервом уменьшения необходимого Ц/В в пропариваемых бетонах может быть рост прочности при введении ускорителей твердения, учитываемый коэффициентом К₃ в формуле (4.4) (табл.4.5), и твердении после тепловлажностной обработки.

Прочность пропаренного бетона с учетом последующего твердения до 1 сут можно найти из выражения:

где I- интенсивность твердения бетона после тепловлажностной обработки; т„- длительность выдерживания (0,5-24 ч); т_в°= 4 ч; K_t— температурный коэффициент (при средней температуре выдерживания бетона 20° - K_t=l,0; 30-40° - K_t=l,l-1,2; 10°- K_t=0,8, для бетона на шлакопортландцементе K_t=0,7).

Рис. 4.5. Номограмма для расчета приращения относительной прочности бетона AR = КI Ig (т_в /т_в°) после пропаривания при его выдерживании до 1 сут

Ниже приведено уравнение для расчета I при т_в<1 сут, полученное при обработке экспериментальных данных:

где т_из - длительность изотермического прогрева, ч.

Для обеспечения расчетов по формуле (4.6) можно использовать номограмму (рис.4.5).

При т_в=1-28 сут интенсивность роста прочности бетона практически не зависит от режимных параметров пропаривания.

Прочность бетона в данном временном интервале твердения можно найти по формуле:

При поставках цемента заводом обычно указывается величина при пропаривании по режиму (2)+3+6+2 ч. Если величина неизвестна или режим пропаривания отличается от нормализованного, для расчета Ц/В по формуле (4.4) необходимо использование дополнительных количественных зависимостей.

Активность цемента при пропаривании можно найти из уравнения:

где К_э - коэффициент эффективности, характеризующий влияние различных технологических факторов на прочность стандартных цементно-песчаных образцов при В/Ц=0,4 после тепловлажностной обработки.

Величина К_э, установленная при пропаривании стандартных образцов цементно-песчаного раствора по нормализованному режиму, колеблется в зависимости от особенностей применяемого цемента от 0,55 до 0,75.

Ниже приведены уравнения и полученные по ним графики (рис.4.6) базового коэффициента эффективности К_э в зависимости от времени изотермического прогрева т_из и температуры Т_пр

для портландцемента М500 ( ) и шлакопортландцемента

(Кэ_шпц ) М400 Здолбуновского завода, полученные при обработке наших экспериментальных данных. Цементы были изготовлены на основе типичного среднеалюминатного клинкера (С₃А=6,2-7,1%, C₃S=58,5-61,3%) и включали дополнительно: портландцемент - 5% гипса, ШПЦ- 5% гипса и 50% доменного гранулированного шлака. Активность цементов при пропаривании определяли по методике ВНИИЖелезобетон через 4 ч после тепловлажностной обработки по режиму 2+3+т_из+2. Температуру пропаривания изменяли от 60 до 95°С, т_из от 2 до 18 ч. Величину К_э находили из условия . Аппроксимация

экспериментальных данных позволила получить формулы:

Наиболее существенными факторами, влияющими на К_э кроме температуры и длительности пропаривания, являются химико-минералогический состав, содержание минеральных добавок и активность цемента:

где - базовое значение коэффициента эффективности, которое можно найти по формулам (4.9, 4.10); К_А, K_D, Кяц- поправочные коэффициенты.

С учетом данных для высокоалюминатных цементов при т_из<3 ч К_а=0,9; т_из>6 ч; К_а=0,8 для низкоалюминатных цементов при т_из<3 ч К_А=0,8; т_из>6 ч К_а=0,95; т_из>9 ч; К_а=1-1,1.

Величина коэффициента Ко зависит как от содержания, так и вида минеральных добавок. При содержании активных минеральных добавок до 10% активность цементов при пропаривании, как правило, не изменяется, при 20%-ном содержании добавок некоторое уменьшение R"^p наблюдается при сокращенных режимах тепловой обработки. При т_из<4 ч 20% добавок доменного шлака и золы-унос в цемент вызывают в среднем снижение прочности на 10% (К_о=0,9), пуццолановые добавки на 15% (К_о=0,85).

Рис.4.6. Графики для определения К_э°:а) портландцемент; б) шлакопортландцемент

Для цемента марки 500 K_Ru= 1, М400 K_Rll=l,05; М300 K_Ru=1,15; М550 K_Rll=0,95.

Алгоритм расчета составов пропаренного бетона в соответствии с обоснованными выше зависимостями приведены на рис.

4.7.

Рис. 4.7. Алгоритм расчета состава пропариваемых бетонов Kcv - коэффициент, определяемый показателем вариации прочности Cv; рАг мультипликативный коэффициент в формуле прочности бетона; рК, - мультипликативный коэффициент из формулы (4.4); R"^p-активность цемента после пропаривания; К_э- коэффициент эффективности, рассчитываемый по формуле (4.11)

Совокупность предложенных количественных зависимостей позволяет решать задачи расчета составов пропариваемых бетонов с заданными показателями прочности при различных значениях продолжительности и температуры твердения с учетом особенностей исходных материалов и последующего твердения после пропаривания. С их помощью возможна также количественная оценка ряда технологических решений, направленных на снижение расхода цемента и тепловой энергии.

Составы бетонов, подвергаемых тепловлажностной обработке при заданных технологических факторах с учетом диапазона их варьирования, могут быть рассчитаны также с помощью комплекса соответствующих экспериментально-статистических моделей или построенным по ним номограммам.

Пример 4.9. Определить Ц/В для достижения бетоном после пропаривания и дальнейшего твердения в течение 1 суток прочности R"^p= 28 МПа при обеспечении проектной прочности в 28 суток R²⁸ = 40 МПа.

Исходные данные: ОК=5...9 см; режим пропаривания

2+3+6+2, при 80°С.

Материалы: портландцемент М500 (С₃А=7%, шлак

• 20%),щебень и мелкий песок.
• 1. Принимаем значения коэффициентов А = 0,55; А! = 1 и по формуле (4.4) определяем (Ц/В), обеспечивающее достижение требуемой прочности в возрасте 28 суток:

2. Значение базового коэффициента эффективности пропаривания стандартных цементно-песчаных образцов по формуле (4.9) или рис. 4.6.:

Принимаем значения поправочных коэффициентов K_A=K_D=K_Ru=l.

3. Значение базового коэффициента эффективности пропаривания стандартных цементно-песчаных образцов с учетом влияния минералогического состава цемента, содержания минеральных добавок и активности цемента по формуле (4.11):

4. Активность цемента после пропаривания (рис.4.7):

5. Интенсивность твердения бетона после тепловлажностной обработки по формуле 4.6:

Прочность пропаренного бетона через 4 ч после пропаривания (Kt =1):

6. Определяем с помощью формулы (4.4) (Ц/В)₂ обеспечивающие достижение требуемой прочности бетона после пропаривания, принимая значения коэффициентов

Поскольку , для дальнейшего расчета состава

бетона принимаем большее значение Ц / В т.е. Ц/В=2,05.

Пример 4.10. Необходимо рассчитать состав бетона с проектной прочностью Я_сж=30,0 МПа, подвергаемого тепловлажностной обработке (продолжительность г=10 ч, температура Т=65°С), с обеспечением 70% отпускной прочности. Применяется портландцемент марки 500 (р_ц= 3,1 кг/л, нормальная густота цементного теста НГ=27%), кварцевый песок (водопотребностъ В„ = 9%, р„=2,52 кг/л), гранитный щебень (водопотребностъ В_щ = 1%; р_щ = 2,6 кг/л). Подвижность смеси должна быть 5 см.

В результате экспериментов, выполненных с применением математического планирования, получены экспериментальностатистические модели и на их основе построены номограммы (рис.4.8, 4.9).

По номограмме (рис. 4.8)устанавливаем необходимое Ц/В=2,1.

Расход воды В (рис. 4.8) составляет 190 кг/м³, расход цемента Ц: Ц= 190-2,1 = 399 кг/м³.

Оптимальную долю песка в смеси заполнителей устанавливаем по рис. 4.9 г = 0,38.

Расход песка и щебня:

Рис. 4.8. Номограмма определения водопотребности бетонной смеси

Рис. 4.9. Номограмма определения оптимальной доли песка в смеси заполнителей