Прогнозирование марочной прочности цементных систем по результатам краткосрочных испытаний и минералогическому составу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Акиева, Елена Анатольевна

• Акиева, Елена Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Акиева, Елена Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературных данных по кинетике гидратации и твердения цементов.

1.1 Гидратация и гидратные фазообразования в портландцементном тесте.

1.2 Образование структуры твердения вяжущих веществ.

1.3 Кинетика твердения цементного камня.

1.4 Существующие способы прогнозирования марочной прочности строительных материалов гидратационного твердения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. Использованные материалы и методы исследований.

ГЛАВА 3. Прогнозирование марочной прочности цементных систем различного состава.

3.1 Выбор расчетных уравнений кинетики твердения.

3.2 Влияние минералогического состава в цементах с различным содержанием гипса.

3.3 Влияние удельной поверхности цемента на кинетику твердения и на точность прогнозирования марочной прочности.

3.4 Влияние В/Ц отношения на кинетику твердения и точность прогноза марочной прочности цементных систем.

3.5 Влияние температуры среды на кинетику твердения и точность прогноза марочной прочности цементных систем.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. Прогноз марочной прочности цементного камня по содержанию алитаи по результатам испытаний в возрасте 7 суток.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. Сравнительные исследования влияния химических добавок различного типа на кинетику твердения мелкозернистых бетонов и прогноз марочной прочности камня.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.i.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование марочной прочности цементных систем по результатам краткосрочных испытаний и минералогическому составу»

Актуальность. Прочностные показатели строительных материалов, изделий и конструкций являются их важнейшей характеристикой, определяющей несущую способность зданий и сооружений и в определенной степени их долговечность. В связи с^тим во всем мире и в том числе в РФ специалистами по строительному; материаловедению ведутся научно-исследовательские работы, направленные на исследование физико-механических свойств строительных материалов, их регулирование с помощью минеральных и органических добавок, воздействием тепловых и электромагнитных полей, домолом а также изменением минералогического состава исходного вяжущего компонента.

Важнейшей характеристикой строительных материалов и изделий на основе вяжущих гидратационного твердения, к которым относятся, прежде всего портландцемент, является марочная прочность после 28 суток твердения при нормальных условиях либо физико-механические характеристики после тепловой обработки. Однако важно знать не только эти свойства цементных систем, но и прочность в более ранние сроки. Последнее привлекает все больший интерес специалистов в связи с необходимостью интенсификации работ в строительном комплексе, расширением применения монолитного бетона.

В последние годы уделяется все больше внимания быстротвердеющим вяжущим материалам, которые уже через 1 - 3 суток набирают до 70 % и более марочной прочности, что позволяет исключить тепловую обработку изделий. В связи с этим необходимо знать не только марочную прочность материала, но желательно и всю кинетику твердения, включая как ранние (1 -3 сут.), так и более отдаленные (1-10 лет и более) сроки.

Под кинетикой твердения мы имеем в виду скорость твердения вяжущих систем и ее изменение во времени. При этом скорость измеряется в МПа/сут., либо в МПа/ч. Иногда в технической литературе вместо термина кинетика твердения» применяется: термин «скорость набора прочности» цементного камня. По-видимому, оба термина имеют право на существование, хотя термин «кинетика» является общим и обоснованным. Термин «набор прочности» имеет; некий антропоморфный оттенок, что нельзя отнести к числу его достоинств.

Уместно отметить, что существует специальный раздел физической химии по кинетике химических реакций.

Накопленные в настоящее время обширные экспериментальные данные по кинетике твердения вяжущих систем представляют большую научно-техническую ценность. Для их получения было затрачено много сил и времени. Тем не менее, большая часть этих данных, как правило, пока не нашла должного применения, т.к. в большинстве случаев авторы публикаций по кинетике твердения ограничиваются составлением табличных данных и анализом лишь отдельных точечных результатов.

Цель данной работы состоит в обосновании и разработке эффективных методов расчета марки (класса) прочности портландцемента по результатам испытаний после 1-7 суток твердения и по его минералогическому составу.

Научная новизна работы:

- установлено, что не существует универсального уравнения, которое с коэффициентом корреляции 0,97 - 0,99 описывает основной период кинетики твердения цементных систем любого состава и которое может быть взято в основу прогноза их марочной прочности. Из известных в настоящее время математических выражений наибольший интерес представляют полулогарифмическое уравнение и формула, основанная на теории переноса с интенсивным торможением. Первое из них более предпочтительно применять к низкоактивным цементам и низкомарочным бетонам, а в остальных случаях лучше использовать второе.

- исходя из этого, разработана методика расчета активности цементов и прочности бетонов в возрасте 28 суток и более по результатам испытаний образцов через 1(2), 3, 7 суток твердения. Выбор уравнений производится, исходя из п.1. Суть методики состоит в том, что по результатам I I краткосрочных испытаний рассчитывают кинетические константы твердения, затем производится .экстраполяция численных значений прочности на период 28 суток и более.

- при прочих равных условиях отношение марочной прочности к 7-суточой (а28/а7) у портландцементов уменьшается с ростом содержания в них алита. На этой основе разработан способ расчета прогнозного значения I активности цемента (а2$) по величине а7 и содержанию алита в клинкере.

- предложены способы идентификации аномалий при твердении цементных систем по величинам коэффициентов корреляции между экспериментальными данными и формулой теории переноса с интенсивным торможением либо полулогарифмическим уравнением. Для этой цели могут быть использованы также соотношения между численными значениями пределов прочности при сжатии после 1,3,7 и 28 суток твердения. Так, например, для рядовых цементов обычно 1,3 .1,6. таким критерием может служить также рост скорости твердении в период 3- 28 суток либо постоянство в интервале 1-14 суток.

Практическая значимость:

- практическое применение способов прогнозирования прочности портландцемента по результатам его тестирования в сроки твердения, равные 1-7 суткам, позволяет повысить надежность методов расчета состава бетонных смесей, с учетом фактической активности цемента, что будет способствовать повышению качества готовой продукции;

- установленные закономерности влияния минеральных и органических добавок на кинетику твердения цементных систем позволяют прогнозировать их поведение как в ранние, так и в отдаленные сроки твердения, вплоть до десятка лет;

- использование разработанных способов идентификации аномалий при твердении цементных систем будет способствовать своевременному предотвращению случаев разупрочнения и разрушения строительных изделий и конструкций на стадии их производства. Основные защищаемые положения:

-закономерности в численных значениях коэффициентов корреляции различных уравнений, описывающих кинетику твердения цементных систем разного состава; ;

-методики расчета марочной ; прочности цемента по результатам испытаний в возрасте 1-7 суток;

- методика расчета активности портландцемента по 7-суточной прочности и содержанию алита;

-установленные особенности ! кинетики твердения цементов с аномальными свойствами.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и доложены на ежегодных научно-практических конференциях, проходивших в г. Минеральные Воды (2005, 2006 г.) На международной научно-практической интернет-конференции ; «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», проходившей в г. Белгороде (2005г). На международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию академии «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», проходившей в г. Брянске (2005 г). На десятых академических Чтениях РААСН «Достижения, проблемы и направления развития теории и практике строительного материаловедения», (Пенза-Казань, 2006 г).

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Акиева, Елена Анатольевна

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. Произведенные сопоставительные исследования кинетики твердения цементного камня с химическими добавкам органического и неорганического происхождения различного функционального назначения (ускорители твердения разного типа и суперпластификаторы, включая добавки нового поколения) позволили установить закономерности их влияния на кинетические константы твердения и коэффициенты корреляции;

2. При этом установлено, что уравнение теории переноса обеспечивает более высокий коэффициент корреляции с экспериментальными данными, чем полулогарифмическое уравнение. В то же время выявлено, что полулогарифмическое уравнение менее чувствительно к различным аномалиям и неточностям в кинетике твердения, что обусловлено математическими особенностями этих уравнений;

3. Произведена статистическая обработка экспериментальных исследований с применением критерия Кохрана по проверке однородности дисперсии испытаний цементного камня различного состава;

4. Повышение точности результатов испытаний образцов на прочность и прогноза их физико-механических характеристик в отдаленные сроки по данным краткосрочных испытаний должно идти в направлении совершенствования технического изготовления и термостатирования образцов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ни одно из известных уравнений не может быть универсальным средством описания кинетики твердения цементных систем различного состава, поэтому рекомендуется использовать для этого по меньшей мере два уравнения - известное полулогарифмическое и основанное на теории переноса с интенсивным торможением во времени.

2. Путем анализа большого массива экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов по кинетики твердения цементных систем различного состава установлено, что уравнение теории переноса лучше подходит для описания цементов, содержащих свыше 40% алита при С3А > 3%, Буд > 250 м /кг и бетонов с добавкой суперпластификаторов, ускорителей твердения, при температуре ^С > 10-15°С, бетонов с расходом цемента более 200 кг/м3, а полулогарифмическое - для описания белитовых малоалюминатных цементов, грубомолотых, шлаковых, а также при температуре ^С < +10.+15°С.

3. На основе установленных закономерностей разработаны методики расчета марочной прочности цементов и бетонов с использованием уравнения теории переноса, а также полулогарифмическим. Выбор уравнений производится с использованием п.2. Желательно иметь 3 значения прочности в ранние сроки - 1(2), 3 и 7 суток. При этом коэффициент корреляции должен быть не ниже 0,98. При отсутствии 3х значений можно использовать 2 срока, желательно 3 и 7. Расхождение прогнозных и фактических значений предела прочности камня при сжатии составляет обычно 1-15% (в среднем 5-8%). При использовании 1 и Зх-суточных величин прочности качество прогноза ниже, чем 3* и 7- суточных.

4. При содержании в цементе с С3А > 5-6% гипса 2-10%, а также в ряде других малоисследованных случаях наблюдаются аномалии в кинетике твердения, которые проявляются в сбросе или малом приросте прочности в интервале 1-7 суток, постоянной скорости твердения после 1-3-7-28 суток, а также ее росте в этом же интервале времени. При этом графики твердения, зачастую, имеют сложный непредсказуемый характер и не могут быть описаны ни одним уравнением с коэффициентом корреляции более 0,8-0,90. В этих случаях прогноз прочности затруднен или невозможен.

5. Установлено, что соотношения марочной и 7-суточной прочности при сжатии 028/07 уменьшается с ростом в клинкере алита. На этой основе разработан способ расчета 28-суточной прочности цементов рядового состава (СзЭ = 40-70%), по величине прочности лишь в 7 суток. Для этого нужно знать также содержание в клинкере алита.

6. Установлены некоторые особенности кинетики твердения цементов с аномальными свойствами, что позволяет идентифицировать последние на основе кинетики твердения в интервале 1-28 суток, а в некоторых случаях отличать их от ошибок при физико-механических испытаниях цементных систем.

7. Разработанные методы расчета марочной прочности цемента и бетона по результатам краткосрочных испытаний переданы на ряд цементных заводов и предприятий по производству строительных материалов и изделий. Экономический эффект то их внедрения обусловлен уменьшением доли выпускаемых изделий с физико-механическими показателями, не соответствующими нормативным требованиям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Акиева, Елена Анатольевна, 2006 год

1. Сыркин Я.М., Сибирякова И.А., Матохино Л.П. Роль гранулометрии цемента в формировании его прочности // VI Международный конгресс по химии цемента. М.: Стройиздат, 1976. - Т. III. - с.73-76/I

2. Химия цементов / Под ред. X. Ф. У. Тейлора. М.: Стройиздат, 1969. -501 с.

3. Ребиндер П.А. Избранные труды. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979.-384 с.

4. БайковА.А. Избранные труды. М.: Металлургиздат, 1961.- 328 с.

5. Ребиндер П.А., Сегалова Е.Е. Новые проблемы коллоидной химии минеральных вяжущих материалов // Природа. М.- 1952. - № 12.

6. Щукин Е.Д., Сумм Б.Д. Развитие физико-химической механики в трудах академика П.А. Ребиндера и его школы // П. А. Ребиндер. Избранные труды. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. — С. 5-26.ч

7. Полак А.Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ.- М.: Изд-во лит-ры по строит-ву, 1966. 208 с.

8. Ребиндер П.А. Физико-химические представления о механизме схватывания и твердения минеральных вяжущих веществ // Труды совещания по химии цемента. М.: Промстройиздат, 1956.

9. Ребиндер П.А., Сегалова Е.Е., Амелина Е.А., Андреева Е.П. и др. Физико-химические основы гидратационного твердения вяжущихвеществ // VI Международный конгресс по химии цемента. — М.: Стройиздат, 1976. Т. 2. - Кн. j 1. - С. 58 - 64.i

10. Щукин Е.Д., Амелина EJA., Юсупов Р.К., Ваганов В.П.i

11. Экспериментальные исследования влияния пересыщения и времениiконтактирования на срастание ¡отдельных кристаллов // ДАН СССР.-1973.-Т. 213.-С. 155.

12. П.Щукин Е.Д., Амелина Е.А., Юсупов Р.К., Ваганов В.П. Экспериментальные исследования влияния механических напряжений на процесс образования кристаллизационных контактов при срастании кристаллов//ДАН СССР. Т. 213. - 1973. - С. 398.

13. Сегалова Е.Е., Соловьева Е.С. Исследование механизма процессов структурообразования в цементных суспензиях и влияния добавок гидрофильного пластификатора ССБ на эти процессы // Труды совещания по химии цемента. М.: Промстройиздат, 1956.

14. Сегалова Е.Е., Ребиндер П.А. Возникновение кристаллизационных структур твердения и условия развития их прочности // Новое в химии и технологии цемента. М.: Госстройиздат, 1962.- С. 202- 238.

15. Андреева Е.П., Сегалова Е.Е. // Коллоидный журнал. 1960. - № 22. - С. 387.

16. Сегалова Е.Е., Конторович С.И., Ребиндер П.А.// Коллоидный журнал. 1964. -№23. — С. 194.

17. Ли Ф. М. Химия цемента и бетона // Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1961.-646 с.

18. Фреисинэ Э. Переворот в технике бетона. Л. - М.: Стройиздат, 1938.

19. Шпынова Л.Г., Синенькая В.И.^ Чих В.И., Никонец И.И. Формированиемикроструктур камня Р С28 и СзЭ // VI Международный конгресс похимии цемента. М.: Стройиздат, 1976. -Т. II -1. - С. 277 - 281.