ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕТОНОВ НА БЕЗГИПСОВОМ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ

Быджовски Иржи, Брожовски Иржи

Введение

Безгипсовый цемент, это вяжущее на основе портландского клинкера в котором заменен регулятор схватывания, гипс, другой системой. В Чешской республике производятся с 80–ых годов 20-ого века безгипсовые цементы (БГПЦ) с удельной поверхностью 450 – 650 м²кг^-1 и системой регуляции схватывания Na₂CO₃ + добавки на базе сульфитно – спиртового барда.

Бетоны с безгипсовым портландцементом отличаются высокими начальними прочностьями, прежде всего в возрасте до 3-х суток. В возрасте 3 суток достигают прочностей сравнимыы с 28-ми суточными прочностьями товарных бетонов обычных марок. Это объясняется свойствами используемого вяжущего. Бетоны на бесгипсовом вяжущем предназначены прежде всего для ремонта или возведения конструкций, у которых требуются их введение в эксплуатацию в очень короткие сроки после проведения бетонных работ, как правило, в возрасте 2 - 3 суток.

При проектировании состава БГПЦ – бетонов (БГПЦ-Б) необходимо считатся с их особенностями вызвыными использованным вяжущим. Условием для применения БГПЦ – Б является достижение требуемых технологических и технических параметров с сохранением экономичности производства.

Проектирование состава бетона является основной задачей до начала производства и состоит из двух этапов :

На 1-ом этапе решаются требования на прочность бетона;

на 2-ом этапе решаются реологические свойства бетонной смеси.

1. Определение прочности на сжатие БГПЦ-Б

Формулы для определения прочности, как правило, выражают зависимость прочности бетона от водоцементного или цементно - водяного отношения, свойств цемента или же свойств заполнителя.

Для определения прочности при сжатии БГПЦ – Б нельзя применить формулы, используемые для бетонов с гипсовым портландцементром ( Bolomey, Feret, Скрамтаев итп.), в первую очередь по следующим причинам :

- Формулы для бетонов на портландцементу с регулятор схватывания гипсом предназначены для определения прочности бетона при сжатии в возрасте 28 суток твердевания при нормальной температуре (для БГПЦ - Б, у которых высокие начальные прочности, не подходят).

- Прочность при сжатии бесгипсового портландцемента не сопоставима прочности при сжатии гипсовых портландских цементов (определяются при разном водоцементном отношении, у цементов разная тонкость помола и гранулометрия, бесгипсовый портландцемент содержат добавки для регуляции схватывания с пластифицирующим действием и т.д.).

- Для БГПЦ – Б нельзя применить известные зависимости между удобоукладываемостью бетонной смеси, объемом цементного теста, вoдоцементного отношения, добавками, которые разработаны для бетонов с портландскими цементами; кудобоукладываемость бетонной смеси в значительной мере зависит от свойств добавок системы регуляции схватывания, имеющими пластифицирующее воздействие.

Для определения прочности на сжати бетоно с бесгипсовым портландцементом была выбрана формула (1), которая учитывает влияние прочности БГПЦ , концентрацию добавок и вoдоцементное отношение.

Общий вид формулы :

(1)

где :

f_c - прочность бетона

s_p - прочность цемента при сжатии или на растяжение при изгибе

w - вoдоцементное отношение

Исходя из требования высоких начальных прочностей бетонов с БГПЦ, были на основании экспериментов разрабортаны собственные формулы для определения прочности (на растяжение при изгибе (2-5) и при сжатии (6-9)) в возрасте 1, 2, 3 и 28 суток. Формулы для определения прочности на растяжение при изгибе предназначены для бетонов, используемых при возведения и ремонте бетонных дорожных покрытий и покрытий взлетно – посадочных полос.

- Прочность на растяжение при изгибе

(2)

(3)

(4)

(5)

- Прочность при сжатии

(6)

(7)

(8)

(9)

где :

f_fi - прочность бетона на растяжение при изгибе в возрасте i – суток (МПа)

f_ci - прочность при сжатии бетона в возрасте i – суток (МПа)

s_poi - прочность БГПЦ на растяжение при изгибе в возрасте i – суток (МПа)

s_pdi - прочность БГПЦ при сжатии в возрасте i – суток (МПа)

w - вoдоцементное отношение

2. Состав заполнителя

На основании анализа результатов экспериментов для подбора состава заполнителя БГПЦ – Б оказалось найболее подходящим уравнение EMPA (10) :

(10)

где :

y_i – содержение зерен заполнителя i – той , прошедшее через сито размера D [% вес]

D_i - размер зерна i – той фракции [мм]

D_max- максимальный размер зерна заполнителя [мм];

3. Расчет цементного теста в бетоне

Количество цементного теста в бетоне зависит от объема межзерновых пустот в заполнителе и от толщины слоя цементного теста, покрывающего зерна заполнителя. Толщина слоя цементного теста зависит от требуемой удобоукладываемости бетонной смеси. Общий объем цементного теста оказывает влияние как на свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона, так и на эффективность производства бетона.

Обычно считается подходящим объем цементного теста в бетонной смеси превышающий на 10 % объем межзерновых пустот в заполнителе.

Это условие подтвердилось и при испытании БГПЦ – Б; повышение объема цементного теста на 20% или 30% повысило суточные прочности БГПЦ – Б, однако прочности в возрасте 2-ое и больше суток были ниже чем у бетонов содержащих лишь на 10% выше цементного теста, чем был объем межзерновых пустот в заполнителе.

Количество цементного теста, исходя из метода подбора состава бетона по Кеннеды, определяется по формуле (11) :

(11)

где :

ct - oбъем цементного теста [м³]

M_t - объем межзерновых пустот в заполнителе [м³]

F - площадь поверхности зерен заполнителя [м²]

d - толщина слоя цементного теста, покрывающего зерна заполнителя [м]

Для разработки метода подбора состава БГПЦ – Б был осуществлен анализ избранных параметров формулы для расчета объема цементного теста.

a) Tолщина слоя цементного теста, покрывающая зерна заполнителя

При определении толщины слоя для покрытия зерен заполнителя необходимо учитывать удельную поверхность БГПЦ, которая приблизительно на 30% - 60 % больше, чем у гипсовых портландцементов и что БГПЦ содержит добавки регуляционной системы схватывания со значительным пластифицирующим воздействием, что позволяет существено снизить дозировку воды.

С другой стороны необходимо достичь того, чтобы толщина слоя цементного теста, покрывающего зерна заполнителя, была способна обеспечить удобоукладываемость бетонной смеси с применением обычным уплотняющих средств до 15 сек. по ВеБе.

Для БГПЦ, удельная поверхность которого находится в пределе от 400 до 500 м²кг^-1, была на основании результатов экспериментов получена формула (12) для определения толщины слоя цементного теста:

(12)

где :

d - толщина слоя цементного теста, покрывающая зерна заполнителя [м]

w - вoдоцементное отношение

б) Площадь поверхности зерен заполнителя

Другим параметром, необходимым для определения требуемого объема цементного теста, является площадь поверхности зерен заполнителя в единице объема бетонной смеси.

Для БГПЦ -Б рекомендуем использовать формулу (13) по Pazskowski [3], которая учитывает как вид заполнителя, так и форму его зерен.

(13)

где:

F - площадь поверхности зерен заполнителя [м²]

r_t - насыпной вес заполнителя [кгм^-3]

r_k - объёмный вес зерен заполнителя [кгм^-3]

p - количество заполнителя, которое пройдет через сито размера d_n+1 и которое остается на сите размера d_n в % веса

d - средний размер зерна фракции d_n – d_n+1 [см]

f - коэффициент, зависящий от вида заполнителя и формы зерен

f = 6 для заполнителя добываемого, форма зерен приближается к форме шара

f = 8 для заполнителя добываемого, нормального качества

f = 12 для заполнителя дробленого.

При расчете площади заполнителя берутся во внимание и зерна, оставшиеся на сите 0,125 мм, поскольку и эти зерна будут покрыты цементным тестом. Это объяняется тем, что удельная поверхность БГПЦ более высокая, чем у обычных цементов.

в) Объем межзерновых пустот в заполнителе

Объем пустот в межзерновых заполнителе в значительной степени влияет на расход вяжущего в бетоне, поскольку из общего количества цементного теста в бетоне приблизительно 65 - 85% идет на заполнение межзерновых пустот в заполнителе, а только оставшаяся часть идет на покрытие зерен заполнителя для получения требуемой удобоукладываемости.

По результатам лабораторных работ было установлено, что для достижения высоких начальных прочностей бетона с БГПЦ необходимо значение вoдоцементного отношения до 0,38 , в редких случаях - максимально 0,40.

Приводится анализ влияния объема межзерновых пустот в заполнителе на расход БГПЦ и определить его максимальное значение.

Были проведены расчеты для определения максимального объема межзерновых пустот, учитывая эффективный расход БГПЦ ( до 470 кг на 1 м³ бетона) с учетом следующих переменных:

- объем межзерновых пустот M_t Î (0,25; 0,17 м³ )

- площадь поверхности заполнителя F Î(3500; 4500 м²)

^- удельная поверхность БГПЦ = 400 - 500 м²кг^-1

- вoдоцементное отношение w Î (0,28; 0,44).

Толщина слоя цементного теста d для данного w была определена по формуле (12).

На расход цемента в единице объема бетона существенно влияниет объем межзерновых пустот в заполнителе и водоцементное отношение; влияние площади поверхности заполнителя на расход цемента не оказалась столь значительным.

Анализ влияния объема межзерновых пустот в заполнителе на расход цемента показал, что объем межзерновых пустот в заполнителе не должен превысить 0,25 м³ при сохранении эффективного расхода БГПЦ в единице объема бетона (макс. 470 кгм^-3 бетона). С увеличением максимаольного резмера зерна заполнителя при постоянном водоцементном отношении расход цемента уменьшается, поскольку уменьшается площадь поверхности заполнителя.

Выводы

При проектировании состава бетона с безгипсовым цементом нельзя использовать формулы для прочности разработаные для бетонов на гипсовом портландцементе - эти формулы предназначены как правило для определения прочности бетона в возрасте 28 суток. Приведенные формулы для БГПЦ – Б позволяют определить прочности бетона в возрасте от 1 до 3 и 28 суток, их пригодность была проверена в практике.

На расход цемента в бетоне прежде всего влияет объем пустот, площадь поверхности заполнителя и толщина слоя цементного теста, покрывающая зерна заполнителя. Объем межзерновых пустот в заполнителе для бетонов на бесгипсовом портландцементе не должен превышать 0,25 м³, идеальным считается объем пустот до 0,22 м³.

При более высоком объеме межзерновых пустот наблюдается значительное повышение расхода цемента на 1м³ бетона, что отрицательно влияет как на эффективность производства, так и вызывает более высокую усадку бетона.

Работа была осуществлена благодаря поддержке проекта MPO FT-TA3/148 „Исследование и разработка диагностики покрытий дорог с проектом решения методики обслуживания и ремонта для управляющего дорогами в ЧР“ и проекта VVZ CEZ MSM 0021630511 „Прогрессивные строительные материалы с использованием строительных отходов и их влияние на долговечность конструкций“ .

Литература

[1] Брожовски, И., Дрохитка, Р., Быджовски,И., Дуфка, А. Исследования бетонов для ремонта цементо-бетонных покрытий Технический университет Брно, 2007, Годовой отчет проекта MPO FT-TA3/148 (на чешском)

[2] Дрохитка, Р. и кол. Прогрессивные строительные материалы с использованием строительных отходов и их влияние на долговечность конструкций. Брожовски, И. : Часть 3 Долговечность бетонов. Технический университет Брно, 2007, Годовой отчет проекта VVZ CEZ MSM 0021630511 (на чешском)

[3] Brožovský, J. - Brožovský, J. jr. : Concrete with gypsum free cement – basic characteristics In : Sborník “Intenational Symposium on Non – Traditional Cement & Concrete“, 2002, Brno, Czechz Republic, pp. 114-120, ISBN 80-214-2130-4

[4] Paskowski,W.: Technologia betonu. Warszava 1946

Авторы :

Быджовски Иржи /Bydžovský Jiří/, доц. к.т.н., Технический университет Брно, строитеьный факультет, кафедра Технологии строительных материалов и изделий, Чешская республика,., Vysoké učení technické v Brně, fakulta stavební, UTHD, Veveří 95, 662 37 Brno, +420 5 4114 7505, +420 5 4114 7502, bydzovsky.j @ fce.vutbr.cz.

Брожовски Иржи /Brožovský Jiří/, доц. к.т.н., Технический университет Брно, строитеьный факультет, кафедра Технологии строительных материалов и изделий, Чешская республика,., Vysoké učení technické v Brně, fakulta stavební, UTHD, Veveří 95, 662 37 Brno, +420 5 4114 7513, +420 5 4114 7502, brozovsky.j @ fce.vutbr.cz.

,