Файл: Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 209
Скачиваний: 2
= 0,55: 1 : 1,75, т.е. со значительно меньшим относитель-
C S
ным содержанием гипса (—^- = 1,75), склонным к обра
зоваиию моносульфата кальция (рис. 2.45). Аналогичные результаты получил Дж: Монфор (см.
рис. 2.33). Оптимальное соотношение окислов в расши ряющем компоненте С : А : C S = 0 , 5 5 : 1 : 4 для получения трисульфата кальция в составе цемента было 8 6 : 6 : 8 , расширение его составило 0,4%. В то же время гораздо лучшие результаты расширения показал состав 6 9 : 2 3 : 8 с отношением окислов в расширяющем компоненте С : А : : C S = 0 , 5 5 : 1 : 0,83 с расширением 2,5%.
Сказанное подтвержает то, что расчет состава рас ширяющего компонента надо вести не в предположении получения трисульфата, а в предположении получения моносульфата кальция. При этом не только увеличивает ся энергия самонапряжения, но и существенно сокраща ется период времени до наступления стабилизации самонапряжеиия.
Гидратация состава расширяющего компонента НЦ, богатого алюминатами кальция и ориентированного на образование в первую очередь моносульфата кальция с последующей перекристаллизацией, даже когда израсхо дован весь гипс, но имеется известь, идет по реакции
3C3 A(CS)H1 2 + ЗСН + aq = C3 A(CS)3 H3 l + 2 C 4 A H l 3 + + СН + aq.
При наличии гипса реакция имеет вид:
C3 A(CS)H1 2 4- 2СН + 2CSH2 + aq = C3 A(CS)3 H3 1 + + 2CH + aq.
Состав напрягающего цемента НЦ, способный дать существенное самонапряжение, теперь окончательно ус тановлен для бетонов, подвергаемых ТВО. Такой цемент обозначают индексом НЦТ.
:Вторая схема осуществления самонапряжения на на прягающем цементе НЦН представлена на рис. 2.46. По этой схеме процесс самонапряжения в монолитном желе зобетоне идет без его прогрева. Средствами противодей ствия преимущественного образования трисульфата кальция являются: выбор компонента, богатого алюми натами, добавка при необходимости извести-кнпелки,
101
обеспечение всестороннего упругого сопротивления рас ширению бетона и затворение бетона по возможности на малом количестве воды, которое еще более снижается в результате быстрой гидратации извести. В этих условиях
Рис. |
2.46. Кинетика раство |
|
рения |
исходных |
материалов |
напрягающего |
цемента |
|
НЦН |
и возникновение но |
вых фаз при гидратации на малом количестве воды за-
творения |
в процессе |
нор |
мального |
твердения |
при |
/ = |
20° С в воде |
|
процесс перекристаллизации и образования трисульфата кальция существенно растягивается и идет параллельно набору бетоном прочности. Естественно, что в этих усло виях степень самонапряженпя должна была бы быть ниже, поскольку через моносульфат кальция произойдет образование только части трисульфата кальция. Однако высокая степень самонапряжения в значительной степе ни обеспечивается в результате непосредственного обра зования из исходных материалов трисульфата с тенден цией к сильному и опасному расширению, которое смяг чается всесторонним ограничением расширения и сжатием системы. Именно ограничение свободного рас ширения цементного камня, раствора и бетона является средством временного удержания молодой структуры цементного камня в определенных объемных рамках до тех пор, пока пройдут бурные процессы построения три сульфата кальция.
Расширение НЦН видно на рис. 2.47. Состав напря гающего цемента 70 : 20 : 10=портландцемент: глинозе-
102
Процесс образования гидросульфоалюмината каль ция, по-видимому, в значительном количестве низкосуль фатной формы, которая постепенно перекристаллизуетсл в трисульфат кальция, вызывает наблюдаемое расшире ние. Образцы периодически распаковывали и погружали в воду; одновременно определяли их прочность (дана
на графике цифрой над кривой). За |
1 сутки |
герметизи |
|
рованного выдерживания |
прочность |
была 108 кгс/см2. |
|
Однако после погружения |
в воду |
уже на |
следующие |
сутки образец так расширился, что превратился в студе нистую массу. На 3-й сутки прочность достигла 508 кгс/см2, но через сутки после погружения в воду она упала до
208 кгс/см2, и затем |
образец развалился. |
То же |
прои |
||
зошло |
с образцами |
на. 4 |
и б-е сутки. На 8-е |
сутки |
проч |
ность |
образца составила |
558 кгс/см2. После |
погружения |
в воду она снизилась до 42 кгс/см2, однако образец не потерял ни формы, ни вида, хотя его удлинение соста вило 15%, а объем увеличился в 1,5 раза. Образец в 12-суточном возрасте после погружения в воду расши рился дополнительно на 2,5%, обнаружил некоторый временный спад прочности (до 308 кгс/см2); к 15-суточ- ному возрасту она поднялась до 775 кгс/см2. Находясь в воде, образец продолжал твердеть и накапливал на 30 и 60-е сутки прочность 983 и 1016 кгс/см2 соответственно.
На основании сказанного можно установить, что че рез 15 суток погружение в воду образцов НЦН не только не опасно, но и обязательно для завершения всех химических процессов образования трнсульфата каль ция. Чем позже погружается образец в воду, тем меньше дополнительное расширение, поскольку структура це ментного камня уже достаточно выкристаллизовывается. С другой стороны, позднее увлажнение НЦН таит в себе другую опасность: энергичные силы расширения при образовании трнсульфата кальция способны разрушить и очень прочное тело цементного камня, так как ослаб ленная структура не восстанавливается теперь потоком новых гидратирующихся силикатных веществ.
Это наглядно видно на образцах раствора 1 : 1 НЦН состава 74 : 12 : 14, выдерживаемых в различных условиях
(рис. 2.48). |
Состав |
расширяющего компонента |
этого |
||
цемента: |
С : А : CS = |
0,55 : 1 : 1,7. Образцы / |
и 2 |
после |
|
формования |
упаковывали в парафиновую |
оболочку |
|||
и хранили |
до 14 мес. в герметизированных |
условиях, |
а затем их распаковывали и погружали в воду. Образцы
104
3 и 4 в суточном возрасте |
подвергали |
ТВО |
(100° С, 6 ч), |
||||||||
а затем водному хранению. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Образцы НЦН герметизированного хранения имели |
|||||||||||
большое свободное |
расширение — 3,04% |
и низкую |
проч |
||||||||
ность— всего 155 кгс/см2. |
При |
погружении |
в воду в них |
||||||||
бурно |
образовывался трисульфат кальция, |
который раз |
|||||||||
рушил |
структуру раствора. Образцы |
НЦТ |
обнаружили |
||||||||
|
900, |
|
|
|
|
|
|
|
*7V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70О\ |
|
|
3 |
|
|
|
|
А * |
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
- |
|
||
|
|
' " 7 |
|
|
|
|
3,0ii |
|
|||
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1fij_ |
|
|
|
J00 |
/ |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
' |
'.51 ^ |
- |
|
||
|
100 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
vfe,- |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
37 |
28 ! |
3 |
б„ |
|
9 |
12 |
|
IB' |
|
|
|
|
Сутки |
|
Месяиы |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.48. Влияние хранения в воде на прочность и свободное |
|||||||||||
|
|
расширение раствора НЦ |
|
|
|
|
|
||||
закономерное расширение в водной среде — 1,85% |
и вы |
||||||||||
сокую |
прочность |
590 кгс/см2 — на |
|
28-е |
|
сутки, |
|||||
810 кгс/см2 |
— на 4-й |
месяц и 900 кгс/см2 — на 16-й месяц. |
|||||||||
Этот пример показывает, что к НЦ |
в любых |
услови |
ях надо предъявлять очень строгие требования в отно шении сроков и продолжительности выдерживания изде лий в воде или во влажной среде. Каждый состав НЦН должен быть подвергнут до погружения в воду мини мальному времени выдержки. Минимальный срок вы держки надо принять 24 ч, в течение которых изделие
должно |
находиться |
в условиях, |
исключающих отдачу |
||
влаги затворения, т. е. он не должен сохнуть. |
|
||||
Указанное положение проверяли на образцах раство |
|||||
ра 1 : 1 |
на НЦН состава 6 7 : 2 2 : 11 = |
клиикер |
портланд |
||
цемента : глиноземистае шлаки : гипс |
с расширяющим |
||||
компонентом С: А |
: CS = 0,55 : 1 : 0,8. |
Затворенные при |
|||
В/Ц=0,3 |
образцы погружали в воду через 6 и 24 ч. Об |
||||
разцы, погруженные |
в воду через 6 ч, дали расширение |
||||
в 2А-ч возрасте 6,5%, а затем |
продолжали |
разбухать |
105
и разрушились. Образцы, погруженные в воду в 24-ч возрасте, в воде нормально расширялись, удлинение их составило 0,8%, а самоиапряжеиие на 28-е сутки равня лось 16 кгс/см2.
Были исследованы |
технические |
свойства |
раствора |
|
НЦН |
1 : 1 при естественном твердении в воде |
напрягаю |
||
щего |
цемента состава |
67 : 22 : 9 : 2 = |
клинкер |
портланд |
цемента : глиноземистые |
шлаки : гипс : известь, предназ |
|||
наченного для дорожных покрытий. |
Состав |
расширяю |
||
щего |
компонента этого |
цемента (С : А : CS = 0,7 : 1 : 0,65) |
должен был обеспечивать при гидратации на малом ко личестве воды образование как моносульфата, так и трисульфата кальция по схеме, показанной на рис. 2.46. Самонапряжение завершилось на 6-е сутки, когда проч
ность раствора |
была 550 кгс/см2, к 7 суткам |
прочность |
|||
увеличилась |
и |
составила |
644 кгс/см2, |
к 28 |
суткам — |
701 кгс/см2. |
|
|
|
|
|
Составы |
с |
большим |
содержанием |
расширяющего |
|
компонента — 36%) общего |
веса НЦ — могут |
быть при |
менены при искусственном ограничении его расширения.
В последнее |
время разработана еще одна технологиче |
|||||||
ская |
схема |
осуществления |
самонапряжения |
(рис. 2.49). |
||||
Это, |
по существу, тот же |
НЦТ, что |
и |
показанный |
на |
|||
рис. 2.43, но только ТВО в течение |
5—6 |
ч проводят |
не |
|||||
после набора бетоном |
некоторой |
прочности |
(не ниже |
|||||
100 кгс1см2), |
а через |
2—3 |
я после |
формования изделия |
при температуре 60—70° С. Известно, что при такой тем пературе происходит бурное образование гидросульфоалюмината кальция и преимущественно трисульфата кальция, а все образующееся количество моносульфата кальция немедленно перекристаллизовывается в трисульфат кальция. При добавке расширяющего компо нента ( > - 35%) структура цементного камня перестраи вается столь быстро, что происходит большое расшире ние, катастрофический спад прочности и полное разрушение. Однако это не наблюдается, если новую структуру с самого начала сжимать все возрастающим объемным сжатием. Его осуществляют пружинными устройствами, дающими форме возможность при увели чении объема бетона на НЦТ препятствовать расшире нию и по мере деформации оказывать ему все большее сопротивление. Практически для этого уже достаточно
осуществить |
объемное |
сопротивление порядка |
5 атм. |
Это, конечно, |
несколько |
уменьшает полезное |
самона- |
106
пряжение арматуры изделия, однако, учитывая боль шую энергию самонапряжения такого активного НЦТ, в конечном итоге достигается общий выигрыш в степени самонапряжения.
Выдержка. ТВО |
Водное хранение |
|
1ЮаС,6ч) |
||
|
Рис. 2.49. Кинетика растворения исходных материа лов напрягающего цемента НЦТ и возникновение новых фаз при гидратации в процессе ТВО
Пока нами |
были рассмотрены |
исходные |
вещества |
|
расширяющего |
компонента |
НЦ и их взаимодействие |
||
при гидратации |
НЦ. Кроме |
этих |
материалов, |
по мере |
гидратации портландцемента или его клинкера во взаи
модействие вступают |
продукты |
этого цемента С3А, |
|||
C 4 A F и С. Гипс, |
добавляемый |
при |
помоле |
клинкера |
|
портландцемента |
для |
регулирования |
сроков |
схватыва |
ют
ния как самостоятельный порошок, готовый к реакции, надо учитывать с количеством CS расширяющего ком понента и рассматривать как его составную часть. Про дукты гидратации С3А, C 4 AF и С в какой-то мере могут участвовать в процессе образования гидросульфоалюмината кальция, если в среде еще сохранился свобод ный гипс. Однако гипс, если он добавлен в расчетном количестве, исчезает уже через двое суток после формо вания образцов, и образовавшиеся минералы только стабилизируют структуру. Могут быть применены также напрягающие цементы с большим содержанием CS; в этом случае роль веществ портландцемента, подверга емых гидратации, весьма значительна. Примером тако го цемента может быть алунитовый напрягающий це мент АНЦ.
2.5. НАПРЯГАЮЩИЕ ЦЕМЕНТЫ НЦН И НЦТ
В настоящее время напрягающие цементы в СССР
научно и технически достаточно отработаны, и прове рены.
В соответствии с техническими условиями на НЦ, разработанными в НИИЖБ, различают две разновид ности НЦ:
НЦН — напрягающий цемент для растворов и бето нов самонапряженных железобетонных конструкций и
сооружений, твердеющих при |
нормальной температуре |
|||
и преимущественно в монолитном железобетоне; |
|
|||
НЦТ — напрягающий цемент для |
растворов и |
бето |
||
нов самонапряжеиных сборных |
железобетонных |
изде |
||
лий, подвергаемых при изготовлении ТВО. |
|
|||
Исходными материалами |
для |
НЦ |
являются |
порт |
ландцемент или клинкер портландцемента и расширя ющий компонент, составленный из вещества, содержа щего алюминаты кальция_или окись алюминия (но не
содержащего |
активный CS), гипса любой модификации |
и извести. В |
качестве вещества, содержащего активные |
алюминаты, |
рекомендуется использовать глиноземистые |
шлаки или глиноземистый цемент. Хорошим замените
лем |
последнего является |
обожженный |
при |
600° С алу |
|||
нит, |
содержащий |
очень |
активный |
глинозем |
при |
неак |
|
тивном CS. |
|
|
|
|
|
|
|
Целесообразно |
рассматривать |
три |
марки |
НЦ — |
с энергией самонапряжения 20, 40 и 60 атм. Первый из
108