магистр в рамке с исправл списком (1191887), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На приготовление бетонной смеси требуемой консистенции воды расходуется обычно больше, чем необходимо для гидратации цемента. В результате испарение большей ее части, находящейся в свободном или адсорбированном состоянии, приводит к образованию пор и капилляров различных размеров, рассеянных по всему объему камня. В зависимости от размеров, возраста и влажности камня поры и капилляры могут быть заполнены водой, водяными парами или воздухом. Естественно, что с увеличением их объема, прочность цементного камня уменьшается, так как при одинаковых условиях прочность находится в прямой зависимости от плотности.
Рисунок 1.1 Водоцементное отношение к объему;
1 - негидратированный цемент;
2 - цементный гель;
3 - вода геля;
4 - капиллярная вода;
5 - воздушные поры
Как видно из рис. 1.1, при полной гидратации цемента, которая возможна только при очень тонком помоле (для обычных цементов не наступает даже через несколько лет), вода, заключенная в порах и капиллярах, вместе с воздухом в зависимости от исходного В/Ц, может составлять около 30-50% объема цементного камня. По мере уменьшения В/Ц уменьшается и объем воды, а вместе с ним и пористость цементного камня.
Но при В/Ц менее 0.4 вяжущие свойства цемента используются не полностью из-за уменьшения степени его гидратации, поскольку часть воды, связываясь адсорбционно продуктами гидратации, сними не взаимодействует. Кроме того, при укладке смеси с малыми В/Ц в ней могут появиться крупные поры и каверны из-за недостаточного уплотнения.
Образующаяся после затворения на поверхности каждого зерна клинкера тончайшая плотная пленка продуктов гидратации благодаря сильному сцеплению с негидратированными минералами прекращает доступ воды к ним. Процесс гидратации временно как бы прерывается, что и является причиной завершения начального (подготовительного) периода.
Однако, некоторые продукты гидратации неустойчивы по отношению к воде, часть их выделяется в раствор, в результате чего уменьшается сцепление продуктов гидратации с негидратированными минералами, а также плотность пленки. Вследствие этого вода постепенно проникает к негидратированной поверхности зерен и взаимодействует с минералами. На определенной стадии происходит быстрое отщепление продуктов в виде частиц коллоидных размеров. Этот процесс (коллоидация по А.А. Байкову) и является причиной начала схватывания.
Период схватывания. Когда цементное тесто превращается в массу, не обладающую еще достаточной прочностью, но потерявшую способность восстанавливать свою пластичность при повторных перемешиваниях без значительных механических усилий, обычно говорят, что начался процесс схватывания. Начало этого процесса характеризуется тем, что достаточно пластичное цементное тесто буквально на глазах как бы теряет свою воду, превращается внешне в камневидный материал, неимеющий однако еще прочности.
Вследствие адсорбционного связывания воды коллоидными частицами гидратных продуктов уменьшаются прослойки воды между зернами клинкера, которые после седиментации расположены значительно ближе друг к другу, чем в период затворения и перемешивания. Поскольку отщепляемые продукты окаймляют зерна, их размеры как бы увеличиваются. В результате часть клинкерных зерен начинает контактировать друг с другом через продукты гидратации и адсорбированные слои воды. Однако, после образования контактов между продуктами гидратации зерен в период схватывания прочность заметно не увеличивается.
Период схватывания характеризует процесс формирования структуры и начала твердения цемента как с физической (переход пластичного материала в упруго-пластичное и упругое состояние), так и с физико-химической точек зрения (процесс отщепления продуктов гидратации, иначе - процесс коллоидации). Формированию плотной структуры цементного камня способствует низкое В/Ц и длительный начальный период, в течение которого под действием физических сил зерна клинкера максимально сближаются. Вследствие этого все факторы, способствующие завершению процесса седиментации, обусловливают получение плотной структуры.
Продолжительность начального периода зависит от факторов, определяющих скорость процесса схватывания: температуры, тонкости помола цемента, минералогического состава, количества и модификации, введенного в цемент гипса. Известно, что с понижением температуры схватывание замедляется. Значит, при одном и том же В/Ц с понижением температуры (но не ниже 0°С) процесс седиментации оказывается более завершенным. Из этого следует, что понижение температуры до начала схватывания способствует формированию наиболее плотной структуры.
Поскольку скорость гидратации зависит от тонкости помола цемента, то вполне естественно, что с увеличением его удельной поверхности количество, а также плотность контактов между зернами клинкера быстро увеличивается во времени. Но одновременно с этим замедляется скорость процесса седиментации и уменьшается длительность начального периода вследствие сокращения сроков схватывания. Поэтому, чем грубее помол цемента, тем более плотная структура цементного камня вообще может быть получена. Однако, при этом набор прочности замедляется. При удельной поверхности 2500-5000 см2/г (в зависимости от минералогического состава цемента) обеспечивается, с одной стороны, формирование достаточно плотного цементного камня, с другой - нужный темп твердения.
Несмотря на небольшую прочность, достигаемую в период схватывания, этот период оказывает большое влияние на свойства цементного камня. Именно в течение этого периода, а вернее уже к моменту начала схватывания, формируется основа будущей структуры - фиксированное расположение зерен в пространстве. Этим в дальнейшем определяются плотность цементного камня и система его пор и капилляров, если только внешние факторы (механические воздействия, тепловая обработка, замораживание) не изменяют ее.
Период твердения. Формирующаяся в период схватывания структура цементного камня не обладает еще достаточной прочностью, поскольку через продукты гидратации (оболочки) контактируют не все зерна клинкера. Основная их поверхность отделена друг от друга слоями адсорбционной и свободной воды. По мере образования и роста гелевых оболочек объем зерен увеличивается, они как бы сближаются, что способствует увеличению прочности.
При гидратации цемента объем твердой фазы увеличивается, а объем введенной воды уменьшается. При полной гидратации портландцемента объем гидратных продуктов превышает объем исходного цемента в среднем в 2,2 раза. Однако, объем продуктов гидратации всегда меньше объема реагирующих фаз, вместе взятых, так как образующиеся продукты обладают большей плотностью, чем суммарная плотность реагирующих веществ. Продукты реакции имеют более упорядоченную кристаллическую структуру, чем, собственно, и объясняется сама гидратация, являющаяся результатом перехода неустойчивой системы (вяжущее + вода) в устойчивую (гидратные продукты).
Микроскопические и электронно-микроскопические исследования показывают, что затвердевший камень состоит главным образом из коллоидных (микрокристаллических) гидратных новообразований: в основном гидросиликата кальция, кристаллов гидрата окиси кальция, гидроалюминатов, сульфоалюминатов и непрогидратированных зерен клинкера. По аналогии с обычным бетоном В.Н.Юнг образно назвал цементный камень «микробетоном», где в качестве «крупного заполнителя» выступают непрореагировавшие остатки зерен клинкера, «песка» - кристаллические новообразования, «связующего» - коллоидная фаза.
Учитывая большую поверхность продуктов гидратации, видимо, следует считать, что прочность цементного камня является результатом объединения физических (адсорбционных) сил и сил химической связи (валентных сил).
Размеры кристаллических продуктов гидратации цемента в сотни раз больше микрокристаллов гидросиликата кальция, поэтому гелеобразная и кристаллическая фазы безусловно оказывают влияние на процесс формирования структуры и роста прочности.
На ранних стадиях твердения, когда количество гидросиликата еше мало, кристаллы гидроокиси, сульфоалюмината и гидроалюминатов кальиия за счет контактирования с гелеобразными продуктами гидратации как бы связывают несколько зерен клинкера одновременно. И хотя образующаяся связь между кристаллической и гелеобразной фазами слаба и обусловлена только адсорбционными силами, все же развитие большого количества таких контактов приводит к росту прочности.
По мере дальнейшей гидратации образуется большое количество гидросиликата, микрокристаллы которого создают все более прочные связи из-за большой поверхности взаимодействия.
Последующая скорость твердения цемента, т.е. скорость нарастания его прочности, зависит от В/Ц, состава вяжущего, тонкости его помола и температурно-влажностных условий [26].
1.3 Анализ факторов, влияющих на зимнее бетонирование
Бетон и железобетон в строительстве России занимает ведущее место. Масштабность применения бетона и железобетона обусловлена их высокими физико-механическими показателями, долговечностью, хорошей сопротивляемостью температурным и влажностным воздействиям, возможностью получения конструкций сравнительно простыми технологическими методами, использованием в основном местных материалов, сравнительно невысокой стоимостью [44].
Как и любой материал, бетон имеет достоинства и недостатки. В данной диссертации рассматривается один из недостатков бетона в монолитном строительстве - сложность производства работ в зимнее время. Понятие «зимние условия» в технологии монолитного бетона и железобетона несколько отличается от общепринятого – календарного. Зимние условия начинаются, когда среднесуточная температура наружного воздуха снижается до +5 градусов Цельсия, а в течение суток имеет место падение температуры ниже 0 градусов Цельсия.
Дальневосточный федеральный округ, как район строительства, имеет свои особенности. Он занимает самую большую площадь из всех семи округов Российской Федерации, она составляет 787,6 тысяч квадратных километров. Территория округа простирается с севера на юг на 1800 км, а с востока на запад на 125 -750 км. Входящие в округ региональные образования резко отличаются друг от друга по климатическим характеристикам, поэтому создать общие рекомендации для производства работ невозможно. Даже расположенные на одной широте районы имеют резко отличные друг от друга климатические условия, что объясняется влиянием океана [33].
Данные климатические особенности Дальневосточного региона вынуждают строителей осваивать эффективные методы бетонирования при отрицательных температурах в зависимости от района строительства.
На качество бетона, укладываемого в зимних условиях, решающее значение оказывает тепловлажностный режим выдерживания. Однако, переохлаждение, перегрев и неравномерность температурного поля при разогреве и остывании свежеуложенного бетона ведут к деструктивным изменениям цементного камня, всего конгломерата в целом, и как следствие – к потере прочности, вплоть до разрушения.
При отрицательных температурах не прореагировавшая с цементом вода переходит в лед и не вступает в химическое соединение с цементом. В результате этого прекращается реакция гидрации и, следовательно, бетон не твердеет. Одновременно в бетоне развиваются значительные силы внутреннего давления, вызванные увеличением (примерно на 9%) объема воды при переходе в лед. При раннем замораживании бетона его неокрепшая структура не может противостоять этим силам и нарушается. При последующем оттаивании замершая вода вновь превращается в жидкость и процесс гидрации цемента возобновляется, однако разрушенные структурные связи в бетоне полностью не восстанавливаются.
Замораживание свежеуложенного бетона сопровождается так же образованием вокруг арматуры и зерен заполнителя ледяных пленок, которые благодаря притоку воды из менее охлажденных зон бетона увеличиваются в объеме и отжимают цементное тесто от арматуры и заполнителя. Все эти процессы снижают прочность бетона и его сцепление с арматурой, а так же уменьшают его плотность, стойкость и долговечность [44].
Требуемое быстрое твердение бетона в конструкции осуществляется, как правило, тепловой обработкой, обеспечивающей достижение проектной прочности примерно в 20 – 30 раз быстрее, чем при температуре 20 градусов Цельсия. Вместе с тем, анализ состояния дел в строительном комплексе при проведении зимних бетонных работ показал, что при выполнении термообработки бетона имеют место существенные противоречия между требованиями действующих нормативных документов и имеющимися техническими средствами контроля для их выполнения.
В частности, температурные ограничения СП 70.13330.2012, несмотря на их чрезвычайную важность, практически невозможно гарантированно выполнить во всех узлах объемной координатной сетки конструкций. Особенно сложно это сделать в местах контакта бетона с нагревателями и примыкания свежеуложенного бетона к ранее забетонированным и уже остывшим конструкциям. Почти во всех случаях термообработки имеет место перерасход тепловой и как следствие электрической энергии сверх её технически обоснованного уровня. Дефицит и рост стоимости электроэнергии, а так же повышение требований к качеству работ поставили строителей перед необходимостью пересмотра традиционного подхода, как к выбору метода зимнего бетонирования, так и к расчетному обоснованию параметров выбранного метода.
Исследования по изучения влияния отрицательных температур на свойства бетона были начаты еще в 1930-е годы С. А. Мироновым, И. А. Киреенко, И. Г. Соваловым и др. Проводились эксперименты для оценки твердения бетона при температуре ниже 0°С, анализировалась прочность замерзшего бетона. Также исследовались характер упрочнения бетона в зимних условиях. Одним из объектов исследования был набор прочности бетона, замерзшего на ранних сроках с последующим оттаиванием и твердением при положительных температурах [17].
Первые статьи Б. А. Крылова выходят в 60-е года ХХ века и описывают процессы, происходящие в бетоне при отрицательной температуре [32].
Рассмотрено влияние низкой температуры на бетоны разной зрелости. Проведено исследование причин потери прочности бетонов, подвергшихся замораживанию, изучена структура бетона. Обнаружены три группы нарушений, возникающих в материале. Во-первых, при замораживании бетонов вода, не вступившая в реакцию гидратации цемента, переходит из жидкой в твердую фазу, образуя лед и расширяясь в объеме. Это приводит к нарушению структуры и частичному разрушению. Во-вторых, в бетоне происходят процессы массопереноса, которые при отрицательной температуре окружающей среды на начальном этапе выдерживания приводят к образованию дефектных участков. В-третьих, структура бетона перестает быть монолитной [30].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
