Добавка для зимнего бетонирования монолитных сооружений

Противоморозные добавки вводятся для предотвращения замерзания воды в бетонной смеси при низких температурах, обеспечивая набор прочности бетона в зимнее время.

Вид и количество противоморозной добавки назначается в зависимости от температуры окружающей среды. Для конструкций средней массивности (с модулем поверхности от 3 до 6) за расчетную температуру принимают среднюю величину температуры наружного воздуха по прогнозу на первые 20 сут от момента укладки бетона. Для массивных конструкций (с модулем поверхности менее 3) за расчетную принимают также среднюю температуру наружного воздуха на первые 20 сут твердения с увеличением температуры на 5 °С. Для конструкций с модулем поверхности более 6 за расчетную принимают минимальную среднюю температуру наружного воздуха по прогнозу на первые 20 суток твердения бетона [1].

Нормативными документами [1, 2] рекомендовано небольшое число противоморозных добавок: НКМ (соединение нитрита кальция с мочевиной); ННХК + М (нитрит-нитрат хлорид кальция с мочевиной); НН – нитрит натрия; П – поташ; НН + П – нитрит натрия + поташ;

Перечисленные добавки могут быть применены при температурах не ниже – 25 °С, что ограничивает возможность их использования в суровых условиях Казахстана, Урала и Сибири, обуславливая необходимость поиска добавок с более низким температурным диапазоном применения и с использованием местных материалов [3].

К тому же возросшие в последние годы темпы монолитного строительства инициируют создание принципиально новых технологий производства бетонных работ при низких отрицательных температурах [4].

Известно, что понижение температуры до 0 °С резко замедляет процесс твердения бетона. Это особенно заметно в раннем возрасте твердения, так как уменьшается скорость взаимодействия воды с минералами цемента. Иначе сказывается понижение температуры на формирование структуры бетона: вследствие температурного сжатия составляющих, более полного прохождения процесса седиментации, формируется более плотная структура бетона.

В тяжелом бетоне, не содержащем противо-морозных добавок, основное количество воды переходит в лед при температурах до –5 °С (для высоких марок цемента эта температура ниже). Так как и пористость, и удельная поверхность бетона изменяются во времени, то и температура замерзания также непостоянна и во многом определяется этими факторами.

Исследования показали, что основная масса льда образуется при понижении температуры до – 5 °С, когда льдистость составляет 78 % у тяжелого бетона, твердевшего 24 ч в нормальных условиях, и 94 % у замороженного сразу после приготовления. Если же прочность бетона к моменту замерзания составляет 50 или 70 % от R 28 , то количество незамерзшей воды резко возрастает, т. е. на льдистость бетона значительное влияние оказывает продолжительность твердения до начала замерзания.

В процессе охлаждения и выделения теплоты при кристаллизации льда происходит переохлаждение воды и изменение объема льда при различных отрицательных температурах.

Водорастворимые химические добавки понижают температуру замерзания жидкой фазы в бетоне, оказывают влияние на растворимость вяжущего и продуктов его гидратации и обеспечивают

Толкынбаев Т.А., Головнев С.Г., I Торпищев Ш.К. I его гидратацию при температуре до –20 °С за счет систематического таяния льда.

При введении добавок важен температурный диапазон их применения – назначение предельно низких температур твердения бетона и возможность использования одних и тех же добавок и как ускорителей твердения, и как противоморозных.

Так же как и для обычных бетонов, на последующее твердение бетонов с добавками оказывает влияние момент замораживания. Например, при замораживании бетона с добавкой поташа и содопоташной смеси сразу после изготовления потери прочности составляют до 30 % от проектной, и степень нарушения структуры бетона определяется в основном количеством воды и видом цемента.

Авторами получены весьма обнадеживающие результаты при использовании добавки – побочного продукта производства диметилдиоксана, в частности, триметилкарбинольной фракции кубовых остатков от ректификации диметилдиоксана.

Продукт производства диметилдиоксана характеризуется следующим химическим составом, мас. %:

• •    триметилкарбинол/трет-бутиловый спирт – 73,25;

• •    4,4-диметилдиоксан-1,3 – 7,20;

• •    метиловый спирт – 3,74;

• •    непредельные спирты (в основном аллиловый) – 2,44;

• •    2-метил-3,4-дигидропиран – 0,17;

• •    неидентифицируемые соединения – 0,22.

По характеру воздействия на цементное тесто указанная добавка содержит компоненты:

• •    не вступающие в реакцию с минералами цемента, но повышающие их растворимость и снижающие температуру замерзания воды;

• •    активизирующие процессы гидратации вяжущего посредством диспергации его зерен, разрушения силикатной фазы и повышения ее растворимости и снижающие температуру замерзания воды;

• •    ускоряющие процессы гидратации за счет реакций обмена, которые приводят к образованию гелей гидрооксидов кальция и снижающие температуру замерзания воды;

• •    способствующие выделению тепла при гидратации и понижающие температуру замерзания воды.

При растворении триметилкарбинольной фракции кубовых остатков от ректификации диметилдиоксина в воде происходит химическое взаимодействие ее частиц с молекулами воды с образованием сольватных оболочек, которые способствуют резкому понижению температуры замерзания воды в порах. Поскольку компоненты добавки длительное время находятся в несвязном состоянии в поровой жидкости, они повышают ионную силу раствора, что значительно ускоряет гидратационные процессы, а вследствие этого и твердение силикатных фаз цемента. Вышеприведенные данные подтверждаются результатами определения удельного тепловыделения цементно-песчаных растворов и контракции бетона в присутствии добавки. В первые сутки твердения она почти вдвое повышает удельное тепловыделение.

Изучение кинетики роста пластической прочности цементно-песчаных растворов с добавками показало, что во всех случаях она характеризуется наличием индукционного периода, после которого наступает интенсивное структурообразование. Повышение концентрации добавки приводит к сокращению индукционного периода.

Приготовление бетонной смеси осуществляется в такой последовательности. В бетоносмесителе перемешиваются отдозированные сухие компоненты смеси (цемент, заполнители), после чего вводится вода затворения, содержащая расчетное количество добавки. Смесь перемешивается в течение 3–4 мин и готова к применению.

Составы бетонных смесей с предлагаемой добавкой (с предельным и оптимальным соотношением ингредиентов), прототипа и контрольных (без добавок) приведены в табл. 1.

Твердение бетонных смесей осуществлялось без тепловлажностной обработки при температурах +20 и 0 °С, а также при –5, –24, –37 °С в многокамерной морозильной установке. Образцы помещались в морозильную камеру непосредственно после формования, распалубливались через 2 сут и оставлялись твердеть еще на 26 сут.

Таблица 1

Составы бетонных смесей

Компоненты	Контрольный состав	Прототип	Предлагаемые составы
			1	2	3	4	5
Цемент	18,99	18,99	13,43	18,99	18,99	18,99	23,10
Песок	21,97	21,97	25,20	21,97	21,97	21,97	22,28
Щебень	51,65	51,88	54,70	51,15	51,88	50,85	44,73
Добавка 1	–	0,19	–	–	–	–	–
Добавка 2	–	–	1,21	1,71	0,19	2,56	2,08
Вода	О с т а л ь н о е

Примечание. Добавка 1 – эмульсия нефтепродуктов; добавка 2 – триметилкарбинольная фракция кубовых остатков от ректификации диметилдиоксана.

Технология и организация строительного производства

Таблица 2

Результаты испытаний бетонных смесей

№ составов		Температура твердения бетонных смесей	Снижение В/Ц в равноподвижных смесях, %	Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, %
Контрольный		+20	–	100
		0		62
		–5		5
Прототип		+20	3,4	11
		0		64
		–5		12
со cd о о § cd cd к	1	+20	13,6	132
		–24		58
	2	+20	13,6	130
		–24		56
	3	+20	5,7	113
		0		73
		–5		28
	4	+20	17,0	134
		–37		47
	5	+20	13,6	136
		–24		56

Через 28 сут твердения и оттаивания при комнатной температуре в течение не менее 12 ч образцы (вместе с остальными, твердевшими при +20 и 0 °С) испытывались на прочность при сжатии и водонепроницаемость. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2, бетонная смесь – прототип не позволяет получить расчетную марочную прочность бетона при твердении ее при температурах ниже 0 °С. Введение в бетонную смесь триметилкарбинольной фракции кубовых остатков от ректификации диметилдиоксана обеспечивает интенсивный набор прочности бетона при температуре до –37 °С.

Это открывает перспективы существенного повышения эффективности производства бетонных работ при строительстве различных монолитных сооружений, поскольку опасность замерзания бетона при температурах ниже –20 °С резко уменьшается. Появляется возможность более равномерного распределения объемов выполнения монолитных бетонных работ в течение года, а следовательно, существенного повышения уровня их организации и качества выполнения, с переносом значительной их части на зимний период.

Таким образом, можно также ожидать значительного повышения производительности труда при производстве этих работ, заслуживающего внимания снижения уровня удельных трудозатрат, а также более равномерного в течение года потребления механизмов.