Застывание бетона при низких температурах: Бетон — до какой температуры можно заливать

Бетонирование при низких температурах

Бетонирование при низких температурах связано с определенными сложностями. Основной задачей при бетонировании в условиях низкой температуры является предотвращение замерзания воды в растворе бетона, что может привести, как к засыханию, так и к замерзанию бетонного раствора.

Чтобы предотвратить замерзание бетонного раствора на современных стройках, создают все необходимые для этого условия:

• Бетон укрывают ПВХ пленками, либо используют разнообразные утеплители. Это самый доступный метод для того, чтобы бетонный раствор не замерз, но эффект от него можно получить только в том случае, если температура воздуха составляет от +5 до -5 градусов. Если же температура ниже -5 градусов, то применение утеплителей и пленки не целесообразно.

• Применяют электрическое прогревание раствора бетона. Такой метод предотвращения замерзания бетонного раствора, часто применяется на очень крупных объектах строительства, где имеются трансформаторные подстанции, которые могут обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии. Это очень дорогой способ защиты бетонного раствора от замерзания, и его применение необходимо только в том случае, если застройщик не успевает сдать объект в установленный срок. На мелких объектах строительства применение данного способа не целесообразно.

• В бетонный раствор добавляют специальную противоморозную добавку, которая предотвращает преждевременное замерзание раствора. Во многих случаях данная добавка уже входит в состав цемента, который представляет собой основной ингредиент любой марки бетонной смеси. Количественный процент соотношения цемента и добавок зависит от температуры, при которой будет непосредственно проводиться процесс бетонирования. Более точную информацию о том, какую добавку и в каком количестве лучше всего использовать, обязан предоставить производитель бетонной смеси в технической карте изделия.

• Возводят так называемые времянки, которые нужны для прогревания бетонных растворов непосредственно при помощи тепловыделяющего оборудования. Здесь необходимо обязательное использование ПВХ пленки и разнообразного рода утеплителей, но это нужно не для того, чтобы накрыть бетонный раствор, а непосредственно для утепления самого помещения времянки.

Производя бетонные работы при низких температурах, нужно помнить об обязательном соблюдении условий для затвердения бетонной смеси в течение всего срока, необходимого для достижения бетонной смесью минимальной прочности. Использование бетонного раствора при низких температурах подразумевает обязательное использование специальных добавок, которые способствуют ускорению процесса затвердения бетонного покрытия. Вследствие воздействия низких температур во время застывания значительно страдает качество бетона, идет частичное разрушение верхнего покрова, а также появляется коррозия на используемой арматуре, что непосредственно снижает качество производимых работ.

Низкая температура оказывает негативное влияние на бетон свежей укладки. Это хорошо ощущается в момент схватывания и затвердения смеси. Отсюда можно сделать вывод, что низкая температура воздуха способствует медленному застыванию бетонного раствора, что плохо влияет на качество выполненных работ. При минусовой температуре вода, используемая в приготовлении бетонного раствора, замерзает, что непосредственно прекращает процесс твердения бетонного раствора. Замерзшая вода приводит к разрушению верхнего бетонного покрытия, что негативно сказывается на его качестве и полноценном вводе в эксплуатацию. После того, как раствор нагреется — вода оттает, и в бетоне возобновятся все необходимые процессы. Но тогда свойства бетонного раствора будут иметь отличия от начального состава, что непосредственно скажется на таких факторах как: долговечность, прочность, водонепроницаемость и так далее.

Набор прочности бетона в зависимости от температуры и марки – твердение и схватывание

Бетонная смесь – пластичный материал, в котором после его укладки в опалубку происходят сложные физические и химические процессы. В результате образуется бетон – прочный и долговечный искусственный камень. В бетоне любого состава набор марочной прочности протекает в две стадии – схватывание и твердение. Длительность каждого этапа определяется множеством факторов, основные из них: состав смеси и температурно-влажностный режим. В стандартном варианте набор марочной прочности бетона длится 28 суток. Многие внутренние процессы продолжаются и по истечении 28 суток, но их влияние на прочностные и другие характеристики искусственного камня, в основном, незначительно.

Время схватывания бетона – стандартное и измененное

Начальное схватывание бетонной смеси в стандартном варианте (при температуре +20 °C и влажности 95%) осуществляется в течение двух первых часов после затворения сухих компонентов смеси водой. Один из химических компонентов бетона – трехкальциевый алюминат 3CaO*Al

Использование специальных полимерных добавок обеспечивает очень быстрое схватывание бетона – процесс длится несколько десятков минут. Но такой метод обычно используют только при серийном производстве ЖБИ.

Сроки застывания бетонов различных классов прочности

На начало схватывания и длительность процесса влияет температура воздуха. Если при +20 °C схватывание в общем случае начинается через 2 часа после затворения цемента водой и длится час-два, то при температуре 0 °C схватывание начинается через 5-6 часов после приготовления пластичного продукта и длится 9-10 часов. Слишком длительное схватывание негативно влияет на конечные прочностные характеристики. Высокие температуры окружающей среды провоцируют ускоренное схватывание смеси из-за быстрого испарения воды, что также негативно сказывается на прочности искусственного камня.

В каких случаях может понадобиться отсрочка начала схватывания:

• проведение бетонирования в жаркую погоду;
• перевозке приготовленной в заводских условиях пластичной смеси на дальние дистанции;
• длительное нахождение в пути из-за автомобильных пробок;
• изготовление высокомарочных смесей, с высокой концентрацией портландцемента;
• заливка смеси этапами, в этом случае необходимо, чтобы приготовленная, но неизрасходованная смесь сохраняла рабочие характеристики.

Замедлить схватывание смеси и, одновременно, сохранить ее рабочие характеристики позволяют заменители схватывания «Линамикс», «Полипласт Ретард», «Сика Ретардер». Предотвратить схватывание можно постоянным перемешиванием смеси, поэтому на удаленные строительные площадки пластичный материал доставляют бетоносмесителем с постоянно вращающейся емкостью. Но время сохранности рабочих характеристик смеси, даже при перемешивании, ограничено, особенно в жаркую погоду.

Ускорители схватывания используют при зимнем бетонировании и изготовлении железобетонных изделий. При этом в лабораторных условиях должно быть установлено допустимое количество добавок. Функции ускорителей схватывания и последующего твердения бетона выполняют:

• сульфат натрия – не более 2% от общей массы бетона;
• соль азотной кислоты – не более 4%;
• хлорид кальция – до 3%.

При прогреве изделий из бетона, осуществляемом в автоклаве под высоким давлением, сроки схватывания и последующего набора прочности существенно сокращаются.

Твердение бетона – скорость процесса в зависимости от условий

После схватывания бетонной смеси начинается этап ее твердения, происходящего за счет удаления свободной воды из смеси. Часть жидкости испаряется, а часть связывается в стойкие химические соединения. Нормальные условия твердения бетона, обеспечивающие баланс между испаряющейся и связываемой водой: температура воздуха – +18…+25 °C, влажность на поверхности бетонной конструкции – не менее 90%. Требуемые условия влажности достигают с помощью увлажнения бетонной поверхности и ее укрытия гидроизоляционными материалами – полиэтиленовой пленкой или рубероидом.

Повышенная температура окружающей среды ускоряет испарение жидкости, что мешает полноценной гидратации, а это снижает прочность на сжатие и формирует неравномерность прочностных характеристик в наружных и внутренних слоях бетонной конструкции.

Если в процессе твердения бетон подвергся замораживанию, возможны два варианта влияния минусовых температур на прочность искусственного камня. После замораживания и последующего размораживания бетон, не достигший критической прочности, теряет прочностные характеристики на 50% более. Материал, достигший критической прочности, после размораживания продолжает набор прочностных характеристик до нормативной величины. Критическая прочность выражается в процентах от марочной прочности бетона и зависит от его класса:

• В 7,5, В 10 – 50%;
• В 15-В 27,5 – 40%;
• В 30-В 40 – 30%.

Если речь идет о массивных тяжелонагруженных бетонных конструкциях, то критическая прочность, независимо от класса бетона, принимается равной 70%.

Есть еще одно понятие прочности – распалубочная, то есть достаточная для снятия опалубки. Обычно она составляет 70% от марочной величины, но может иметь другое значение, указанное в проектной документации. Преждевременное снятие опалубки негативно влияет на прочность искусственного камня, а передерживание – увеличивает сроки строительства и его стоимость.

Способы ухода за свежеуложенным бетоном с целью обеспечения нормальных условий схватывания и твердения

Соблюдение правил ухода за бетоном обеспечивает нормальные условия схватывания смеси и набор марочной прочности с оптимальной скоростью. Мероприятия по уходу за бетонной конструкцией после заливки и уплотнения бетонной смеси:

• Защита от слишком интенсивного испарения влаги с поверхности бетонного элемента, которое приводит к разности давлений в толще бетона и на его наружной части, а, следовательно, трещинообразованию. Для этого блок закрывают полиэтиленовой пленкой, рубероидом, брезентом. Могут использоваться опилки и песок при условии их регулярного смачивания.
• Обеспечение равномерного температурного режима по всему объему бетона при его твердении. Особенно это важно при заливке массивных конструкций. Комплекс технологических мероприятий по выравниванию температуры на поверхности и в толще конструкции указывается в проектной документации. Он может включать искусственное охлаждение с помощью поверхностного полива блока холодной водой или посредством системы труб-змеевиков.
• Защита от низких температур при твердении бетона до набора критической прочности. Эти мероприятия необходимы при зимнем бетонировании. Для обеспечения нормальных условий гидратации цемента используют: введение противоморозных добавок, утепление конструкции теплоизоляционными материалами, прогрев стальными проводами, электродами, инфракрасными лучами, устройство тепляков с прогреваемым воздухом. Часто сочетают несколько технологических приемов.

За какое время бетон застывает в опалубке?

Примерное время, за которое бетон, залитый в опалубку, достигает определенного значения прочности можно определить по графикам и таблицам, представленным в нормативных документах.

Таблица зависимости времени набора прочности бетонами классов В 15-В 22,5, приготовленных с использованием цемента марок М400 и М500, от температуры окружающей среды

Точную картину набора прочности бетонной конструкцией можно получить с помощью образцов, схватывание и твердение которых осуществляется в тех же условиях, что и основной элемент.

КАК ЖАРКАЯ И ХОЛОДНАЯ ПОГОДА МОЖЕТ ПОВЛИЯТЬ НА БЕТОН?

Сурьяканта | 23 апреля 2015 г. | Бетонные технологии | 1 комментарий

Бетон не рекомендуется укладывать при температуре выше 40 ⁰ C и ниже 5 ⁰ C без надлежащих мер предосторожности, изложенных в IS: 7861 (часть 1 или часть 2, в зависимости от обстоятельств) .

IS:7861 часть 1 касается бетонирования в жаркую погоду, а часть 2 касается бетонирования в холодную погоду.

При подготовке, укладке и отверждении бетона в жаркую погоду возникают особые проблемы. Высокие температуры приводят к быстрой гидратации цемента, повышенному испарению воды затворения, увеличению потребности в воде затворения и большим изменениям объема, приводящим к трещинам. Проблемы жаркой погоды на бетоне дополнительно усугубляются рядом факторов, таких как использование быстротвердеющих цементов, работа с большими партиями бетона и т. д.

Любая операция по бетонированию, выполняемая при температуре воздуха выше 40 ⁰ C, может быть заменена бетонированием в жаркую погоду. При отсутствии специальных мер предосторожности, изложенных в IS: 7861 (часть 1), влияние жаркой погоды может быть следующим:

Более высокая температура свежего бетона приводит к более быстрому гидратация цемента и приводит к снижению удобоукладываемости/ускорению схватывания. Это сокращает время обработки бетона.

Бетон, смешанный, уложенный и отвержденный при более высокой температуре, обычно набирает более высокую начальную прочность, чем бетон, произведенный и отвержденный при нормальной температуре, но через 28 дней или позже прочность обычно ниже.

Быстрое испарение может вызвать пластическую усадку и растрескивание, а последующее охлаждение затвердевшего бетона вызовет растягивающие напряжения.

Трудно удерживать влагу для гидратации и поддерживать достаточно одинаковые температурные условия в течение периода отверждения.

Труднее контролировать содержание воздуха в воздухововлекающем бетоне. Это усложняет контроль работоспособности. При заданном количестве воздухововлекающей добавки горячий бетон захватывает меньше воздуха, чем бетон при нормальной температуре.

Во избежание вредного воздействия бетонирования в жаркую погоду IS: 7861 (Pt.1) рекомендует контролировать температуру ингредиентов, чтобы температура производимого бетона была ниже. Вода затворения оказывает наибольшее влияние на понижение температуры бетона. Использование охлажденной воды/чешуйчатого льда при смешивании обеспечивает адекватное снижение температуры бетона.

Чтобы контролировать температуру бетона и избежать неблагоприятного воздействия жаркой погоды, желательно ограничить максимальную температуру бетона до 35°С. 0007 0 C, чтобы сохранить запас на повышение температуры во время транспортировки.

Производство бетона в холодную погоду создает особые и специфические проблемы, которые не возникают при бетонировании при нормальных температурах. Помимо проблем, связанных с схватыванием и твердением цементного бетона, серьезные повреждения могут возникнуть, если бетон, который все еще находится в пластическом состоянии, подвергается воздействию низкой температуры, что приводит к образованию ледяных линз и расширению пор в структуре пор. Следовательно, важно поддерживать температуру бетона выше минимального значения, прежде чем он будет помещен в опалубку. После укладки бетон можно поддерживать при температуре выше определенной с помощью надлежащих методов изоляции до снятия защиты. В периоды низких температур окружающей среды необходимо применять специальные методы для отверждения бетона, когда он находится в опалубке или после ее удаления.

Любая операция по бетонированию, проводимая при температуре ниже 5 ⁰ C, называется бетонированием в холодную погоду.

IS: 7861 (часть 2) рекомендует соблюдать особые меры предосторожности при бетонировании в холодную погоду.

При отсутствии специальных мер предосторожности бетонирование в холодную погоду может иметь следующие последствия:

бетон замедляется по сравнению с развитием при нормальной температуре. Таким образом, период времени для снятия формы работы должен быть увеличен.

Необратимое повреждение может произойти, если бетон в свежей стадии подвергается замораживанию до определенного периода предварительного затвердевания. Бетон может понести непоправимую потерю своих свойств до такой степени, что прочность на сжатие может снизиться до 50% от того, что можно было бы ожидать для бетона при нормальной температуре.

Большие перепады температур внутри бетонного элемента могут способствовать растрескиванию и отрицательно влиять на его долговечность. Общеизвестно, что большие перепады температур внутри бетонного элемента могут способствовать растрескиванию и отрицательно влиять на долговечность. Такие перепады, скорее всего, возникнут в холодную погоду во время удаления фасонной изоляции.

Если бетон подвергается многократному замораживанию и оттаиванию после окончательного схватывания и в течение периода затвердевания, окончательные свойства бетона также могут ухудшиться.

Ввиду вышеизложенного желательно ограничить минимальную температуру бетона 5 ⁰ C

Теги:Свойства бетона

Об авторе

Сурьяканта

Инженер-геотехник-материаловед. Вы можете связать меня в Google +. Чтобы узнать больше обо мне, просто посетите AboutMe

Copyright © 2023 CivilBlog. Org.

Тема от MyThemeShop.

Расчетно-экспериментальное исследование

На этой странице

РезюмеВведениеРезультаты и обсуждениеВыводыКонфликты интересовБлагодарностиСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

Условия окружающей среды влияют на свойства строительных материалов. Это исследование дает первоначальное представление о гидратации портландцемента при низких температурах с точки зрения лабораторных экспериментов (включая удельное электрическое сопротивление, степень гидратации (DoH) и зрелость), а также термодинамических расчетов. Гидраты портландцемента в данный период были обнаружены с помощью рентгеновской дифракции (РФА), а их микроструктура наблюдалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Результат эксперимента (т. е. DoH и удельное электрическое сопротивление) показал, что гидратация портландцемента замедляется из-за низкой температуры без прекращения гидратации при -5°C. На основе базовой кинетической модели термодинамический расчет предсказал, что конечный гидрат различается в зависимости от температуры окружающей среды. Тенденция механического поведения портландцементного теста под воздействием низких температур потенциально связана с появлением алюминатных соединений и восстановлением портландита.

1. Введение

Температура влияет на характеристики портландцемента, который является наиболее широко используемым материалом в инфраструктурных сооружениях [1]. Между тем, матрица цементного вяжущего играет очень важную роль в композитах на основе портландцемента (т. е. пастах, строительных растворах, бетоне, стабилизированных камнях и обработанных грунтах). Характеристики затвердевшего портландцемента (например, механическое поведение и долговечность) тесно связаны с химической гидратацией и отверждением в раннем возрасте, в то время как взаимосвязь между процессами гидратации, образованием гидратов, микроструктурой и механическими свойствами была доказана в предыдущих исследованиях [2–3]. 5]. В процессе эксплуатации инфраструктур материалам на основе цемента приходится сталкиваться с жесткими условиями окружающей среды, такими как сверхнизкие температуры [6–8]. В этих условиях механические свойства (например, прочность на сжатие, прочность на изгиб, модуль упругости и коэффициент Пуассона) затвердевшего портландцементного бетона будут улучшаться при сверхнизкой температуре, например, -70~-10°C [7].

Иными словами, если материалы на основе цемента (пасты, строительные растворы, бетон и т. д.) подвергаются воздействию низкой температуры, особенно отрицательной температуры (<0°C) на начальной стадии гидратации, гидратация цемента сильно пострадает [9–11] . При этом на продукты гидратации, фазовый переход, например, из эттрингита (АФт) в моносульфат (АФм), и растворение пор будут воздействовать низкие температуры [5, 12]. В некоторых ограниченных условиях матрица может быть даже повреждена. Таким образом, следует применять стратегии в раннем возрасте, чтобы избежать повреждений матрикса при холодных погодных условиях [13, 14]. С этой целью было проведено множество исследований по изучению гидратации портландцемента при низких температурах [10, 11, 15–18], хотя глубокое понимание влияния низких температур на характеристики гидратации и твердения цемента до сих пор отсутствует. .

Лучшее понимание процесса гидратации портландцемента может значительно улучшить характеристики цементных композитов при низких температурах, особенно при применении в холодном климате. Таким образом, это исследование направлено на изучение процесса гидратации портландцемента, включая гидраты, микроструктуры и эволюцию механических свойств. Чтобы лучше понять влияние низких температур на процесс гидратации, также используется термодинамический подход для расчета гидратов портландцементного теста. По сути, это исследование дает базовые знания о процессе гидратации портландцемента при низких температурах в рамках систематического исследования.

2. Экспериментальная программа

2.1. Сырье

В этом исследовании использовался обычный коммерческий обычный портландцемент (OPC, производства Jidong Cement Plant, Сиань, Китай) с оксидными компонентами, подробно описанными в таблице 1 (PO42.5). Следует отметить, что оксидные компоненты, измеренные здесь с помощью XRF, не отражали реальный компонент в портландцементе из-за замены наполнителя в клинкерах на 5-10%. Минеральные фазы в OPC (с помощью XRD) и распределение частиц по размерам показаны на рисунке 1. Технические характеристики PO42.5, использованного в этом исследовании (предоставлены производителем), следующие: удельная поверхность (по Блейну) = 360  м ² /кг, плотность = 3,02 г/см ³ , время начального схватывания = 2,8 часа и время окончательного схватывания = 4,7 часа.

2.2. Методы и приборы

2.2.1. Лабораторные эксперименты

Цементные пасты смешивали в соответствии со стандартом ASTM C305-14 [20], а затем помещали в формы (40 × 40 × 160 мм) или пластиковые контейнеры; после этого их отверждали в камерах при температуре -5°C, 0°C, 5°C, 8°C и 20°C (RH = 90%). Следует отметить, что перед смешиванием сырья (т.е. портландцемента и воды) формы и чаши должны быть предварительно охлаждены в камерах в соответствии с их последующей температурой твердения. Например, если образец пасты будет отверждаться при 0°С, воду, цемент, чаши и формы следует предварительно охладить при 0°С в течение двух часов, пока их поверхность не достигнет 0°С. В ходе экспериментальных исследований водоцементное (в/ц) соотношение образцов призм для измерения прочности было установлено равным 0,45, а в/ц пасты, хранящейся в герметичных пластиковых контейнерах, было принято за 0,5 для полной реакции.

Пасты в контейнере обрабатывали методом замены растворителя (изопропанолом) [21], а затем измеряли с помощью XRD (Bruker, D8 Advanced, Cu-K α ) и СЭМ (Hitachi, S4800).

Для описания процесса гидратации портландцементных паст в ходе данного исследования измерялись степень гидратации (DoH), зрелость и удельное электрическое сопротивление. DoH портландцементных паст определяли как (1) на основе модели Пауэрса [22]. где DoH – степень гидратации (% по массе), – исходная масса образца, предварительно обработанного в муфельной печи (6 часов) при 105°С. C, а – конечная масса образца, нагретого при 950°С.

Удельное электрическое сопротивление цементного теста может быть использовано для хорошего анализа процесса гидратации цемента [19]. Таким образом, кривая удельного сопротивления во время начальной гидратации портландцемента была получена с помощью CCR-II (производства BC Tech, г. Шэньчжэнь, Китай). Оборудование и образец показаны на рис. 2. Для предотвращения испарения влаги и колебаний температуры на испытательную доску была установлена ​​пластиковая крышка, а температура контролировалась кондиционером (общая температура) или камерой (более низкие температуры).

Зрелость рассчитывалась по следующему уравнению [10, 11, 23]: где — зрелость портландцементного теста, — температура образца (°C), измеренная с помощью CCR-II (подробно см. выше), или температура отверждения (− 5°C, 0°C, 5°C, 8°C и 20°C), представляет собой базовую температуру (обычно -10°C) и представляет собой временной интервал на стадии отверждения (ч).

2.2.2. Термодинамический расчет

Критерии минимизации свободной энергии Гиббса использовались для расчета равновесных фазовых ассоциаций и ионного состава химических систем, таких как портландцементная паста. Моделирование и программное обеспечение были подробно описаны в нашем предыдущем исследовании [18], в котором для расчета гидратов OPC использовались GEMS-PSI (программное обеспечение) и CEMDATA7.1 (база данных). Следует отметить, что в данном исследовании базовая кинетическая функция [24] гидратации портландцемента была модифицирована константой равновесия раствора [18, 25]. При термодинамическом моделировании исходные данные включали следующее: C ₂ S = 11,1 г/100 г, C ₃ S = 62,9 г/100 г, C ₃ A = 6,0 г/100 г, C ₄ AF = .6gy/100 г, C ₄ AF = .6gy/100 г г/100 г, K ₂ O = 1,1 г/100 г и Na ₂ O = 0,3 г/100 г. Кроме того, 10000 дней были адаптированы в качестве конечного срока гидратации в моделировании. Теоретические расчеты из термодинамики могут дать более глубокое объяснение механического поведения.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Электрическое сопротивление в раннем возрасте

На рис. 3 показана кривая удельного сопротивления портландцемента в процессе гидратации. После смешивания с водой ионы (например, Ca ²⁺ , K ⁺ , Na ⁺ , OH ⁻ и ) растворялись в воде, образуя электролитический раствор [26], после чего гидраты расходуют ионы в растворе или занимают пространство раствора; таким образом, удельное сопротивление пасты можно использовать для наблюдения за стадиями гидратации во время гидратации. Сообщалось, что гидратацию цемента можно разделить на пять стадий: (1) стадия растворения; (2) стадия динамического равновесия; (3) установка стадии; (4) стадия твердения; 5) стадия замедления твердения [19]. Основываясь на предыдущем исследовании [19], кривая удельного сопротивления и дифференциального удельного сопротивления может хорошо указывать время начального и окончательного отверждения. На Рисунке 3 нормированные данные удельного сопротивления показывают очевидное дно, которое соответствует началу начальной настройки. Кроме того, начальное положение стадии замедления твердения может быть подтверждено в верхней части кривой дифференциального удельного электрического сопротивления. Кривые на рис. 3 показывают, что данные по температуре и данные по сопротивлению хорошо согласуются друг с другом. Следовательно, температурные данные измерения CCR-II также можно рассматривать для описания гидратации цемента. Этот вывод является основанием для адаптации температурных данных образца при расчете зрелости ниже.

На рис. 4 представлены данные нормализованного удельного сопротивления портландцементных паст при температуре 8°С (рис. 4(а)) и 20°С (рис. 4(б)). На кривых можно заметить две важные характеристики: (i) низкая температура (8°C) задерживает нижнюю часть (начальное положение времени схватывания) нормированной кривой удельного сопротивления; (ii) начальный график нормализованной кривой удельного сопротивления при низкой температуре (8°С) был ниже, чем при обычных условиях (20°С). Они возникают из-за того, что скорость химической реакции снижается при низких температурах.

3.2. Температура образца и развитие зрелости

Изменение температуры также регистрировалось датчиками (см. рис. 2(b)), как показано на рис. 4. При более низкой температуре отверждения (8°C) температура образца увеличивалась из-за химической реакции в пасте и затем уменьшилось из-за более прохладной окружающей среды снаружи. При комнатной температуре температура образца продолжала повышаться, при этом температура образца меньше зависела от удельного электрического сопротивления пасты.

На рис. 5 показана зрелость, рассчитанная на основе температуры отверждения/температуры образца с помощью (2). На рис. 5(а) представлена ​​кривая идеальной зрелости, рассчитанная по температуре отверждения, а на рис. 5(б) показана кривая зрелости, рассчитанная по температуре образца (см. (2)). Считается, что механическое поведение композитов на основе цемента тесно связано со зрелостью [10]. В этом смысле рис. 5 может свидетельствовать об отставании прочности в предыдущих исследованиях [17, 18].

3.3. Степень гидратации

Степень гидратации (DoH) зависит от процесса реакции цементного теста; следовательно, DoH цементного теста, отвержденного при более низких температурах, был измерен на основе модели Пауэрса и показан на рисунке 6. По истечении времени отверждения DoH цемента с той же температурой отверждения увеличивалась, в то время как более высокая скорость гидратации была достигнута при более высоких температурах. Возьмем, к примеру, -5°C, его DoH после 90 d был 63,2%, что намного ниже, чем при обычном состоянии (91,9°С).% при 20°С). Этот результат согласуется с заключением отчета FHWA [23]. Между тем, эксперимент показывает, что портландцемент все еще может гидратироваться при -5°C; например, DoH OPC при -5 ° C составляли 16,7%, 25,5%, 47,4%, 55,3%, 61,9% и 63,2% после 1, 3, 7, 28, 60 и 90 дней соответственно. Этот результат объясняет медленное достижение прочности цементными камнями при отрицательных температурах.

3.4. Рентгенофазовый анализ

На рис. 7 показан рентгеноструктурный анализ гидратов портландцемента при различных температурах (1 d). Видно, что портландит (Ca(OH) ₂ ) пик зависит от температуры отверждения. До -5°C явного пика портландита не наблюдается, и можно отчетливо наблюдать минеральную фазу (1 d). Для паст, отвержденных при -5, 0, 5 и 8°С, пиков AFt через 1 сут не наблюдалось.

3.5. SEM

Микроструктура гидратированного теста представлена ​​на Рисунке 8. Согласно приведенному выше DoH, меньше портландцемента гидратировалось при температуре -5°C; таким образом, отдельные частицы на рис. 8(а) можно объяснить тем, что твердое вещество не связывается с другими. При других температурах твердение паст было связано с температурой отверждения. Если сосредоточить внимание на гидратах, на рисунке 8(b) (0°C) было несколько отдельных частиц, тогда как на рисунке 8(c) (5°C) было немного негидратированных частиц. Если температура отверждения была выше 8°C, на изображениях СЭМ можно было наблюдать меньше негидратированных частиц (см. рис. 8(d) и 8(e)). Учитывая DoH (47,4%) портландцемента, отвержденного при -5°C за 7 дней, цемент должен образовывать некоторое количество гидратов для связывания частиц в пасте; тем не менее, DoH этого образца (-5°C, 7 дней) был точно таким же, как у образца, отвержденного при 20°C в течение 1 дня (46,7%, см. рис. 4). При этом уровне DoH частицы в пасте не реагировали на связывание с другими. Фактически, портландцемент только что закончил фазово-граничную реакцию и достиг диффузионно-контролируемой гидратации [27] на этом уровне DoH, а промежутки между частицами не были заполнены гидратами. При увеличении DoH (т. е. связанного с температурой) пространства между гидратами будут заполняться, а затем связываться друг с другом. Здесь нельзя не учитывать еще одну причину, заключающуюся в том, что частицы в цементном тесте перемещались и разделялись льдом, образовавшимся при -5°С (отрицательные температуры).

4. Термодинамический расчет гидратации портландцемента при низкой температуре

4.

Термодинамический расчет гидратации портландцемента подтвержден рядом исследований. На рис. 9 показано развитие гидратов при 20°C на основе термодинамического моделирования. Как показано на рисунке, количество гидратов увеличивалось с течением времени отверждения. Aft преобразовывался в AFm через 1 день и затем исчезал через 2 дня, в то время как C ₃ AH 9Фаза 0161 6 появилась через 3 д. Этот результат расчета был подтвержден нашими экспериментальными данными, поскольку о низкотемпературных эффектах сообщалось ранее. Конечные гидраты будут потенциально изменены в пределах 0~10°C. Изменение минеральной фазы можно увидеть на рисунке 10.

4.2. Взаимосвязь между прочностью, гидратами и температурой

Механические свойства цементного теста в значительной степени связаны с содержащимися в нем гидратами. Например, связь между механическим поведением и содержанием CSH была доказана в нашем предыдущем исследовании [17]. На рис. 10 показаны взаимосвязи между температурой отверждения, прочностью на сжатие и объемной долей гидратов. Фракции гидратов были собраны из термодинамического расчета (возраст = 10000 d).

Прочность измерялась при 0, 5, 8 и 20°C и выше 3 d, 7 d и 28 d. Можно видеть, что (1) содержание CSH не подвергалось значительному влиянию температуры отверждения за пределами длительного возраста; (2) объемные доли AFt, AFm и портландита изменялись с температурой отверждения; (3) долгосрочная (28 d) прочность мало связана с содержанием CSH, но сильно связана с AFt, AFm и портландитом при температуре 10°C. С уменьшением СН прочность на сжатие увеличилась. Кроме того, AFm может повысить механическую прочность портландцемента при низких температурах.

Это открытие было очень интересным, потому что мы всегда думали, что механические характеристики тесно связаны с объемной долей CSH, но в этом исследовании, основанном на различных температурах раннего отверждения, мы обнаружили, что изменение механической прочности не связано с содержанием CSH. (прочность различается при одинаковой/одинаковой объемной доле CSH), но в значительной степени связана с образующимися гидратами алюмината и портландитом. Следует отметить, что приведенный выше вывод может быть неверным на 100%, но мы хотели бы считать, что влияние температуры на раннее механическое поведение должно иметь более глубокое термодинамическое объяснение. Однако эти выводы нуждаются в дополнительных доказательствах в будущем.

5. Резюме и выводы

Характеристики гидратации портландцемента (PO42.5) в раннем возрасте, включая электрическое сопротивление, изменение температуры, степень гидратации и фазовое изменение, наблюдались в лаборатории при температуре отверждения -5, 0, 5, 8 и 20°С. Термодинамический расчет, основанный на программном обеспечении GEMS-PSI, также использовался для объяснения и проверки экспериментальных результатов. Выводы можно сделать следующие: 1) низкие температуры (-5, 0, 5 и 8°С) уменьшали скорость гидратации, но не прекращали гидратную реакцию; кроме того, процесс гидратации остается условием генерации. Основываясь на датчиках температуры CCR-II, зрелость может объяснить задержку гидратации. (2) Существовала линейная зависимость между DoH и температурой отверждения до 1–7 дней; однако точка разрыва появилась через 7–28 дней. В эксперименте точка разрыва появлялась при 5~8°С. Эта точка разрушения DoH очень похожа на точку фазового превращения в термодинамике (10°C).(3) Расчет показал, что раннее механическое поведение может иметь более глубокое объяснение с точки зрения термодинамики, где гидраты различаются при низких температурах. Исходя из этого исследования (различная температура раннего отверждения), прочность на сжатие старых паст (28 d) меньше связана с содержанием CSH, но тесно связана с алюминатными соединениями и портландитом.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку Фонду естественных наук Китая (NSFC, № 51708045) и Национальной программе исследований и разработок в области ключевых технологий Китая (2014BAG05B04), а также выражают благодарность аспирантам Юнвэй Лу и Вэньсю Цзяо за помощников по экспериментам. Они также ценят обсуждение и комментарии экспертов Всемирной транспортной конвенции (ВТЦ, Пекин, 2017 г.), где данные этого исследования были первоначально представлены частично. Лабораторные эксперименты в рамках этого исследования проводились в Ключевой лаборатории дорожного строительства специального назначения Министерства энергетики Китая, а также в Центре анализа материалов Школы материаловедения и инженерии Чанъаньского университета и Сианьском центре наблюдения и испытаний минеральных ресурсов. , Министерство земель и ресурсов Китая. Они с благодарностью признательны за поддержку, сделавшую эти лаборатории и их работу возможными.

Ссылки

1. J.F. Young, S. Mindess, and D. Darwin, Concrete , Prentice Hall, New Jersey, NJ, USA, 2002.

2. R.L. Стратегии бетонирования в холодную погоду , под редакцией Rush Jr, WE, 2014.

3. Б. Лотенбах, Т. Матчей, Г. Мёшнер и Ф. П. Глассер, «Термодинамическое моделирование влияния температуры на гидратацию и пористость портландцемента». цемент», Исследование цемента и бетона , том. 38, нет. 1, стр. 1–18, 2008 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

4. Y. Qiao, H. Wang, L. Cai, W. Zhang, and B. Yang, «Влияние низкой температуры на динамическое поведение бетона», Construction and Building Materials , vol. 115, стр. 214–220, 2016.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

5. Л. Сюй, П. Ван и Г. Чжан, «Формирование эттрингита в гидратах тройной системы портландцемент/алюминат кальция/сульфат кальция при более низких температурах», Строительство и строительные материалы , вып. 31, стр. 347–352, 2012.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. Ф. Карагол, Р. Демирбога и У. Х. Хушефати, «Поведение свежих и затвердевших бетонов с антифризными добавками при низких температурах глубокой заморозки и внешних зимних условиях», Construction and Building Materials , vol. 76, стр. 388–395, 2015.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

7. GC Lee, TS Shih и KC Chang, «Механические свойства бетона при низкой температуре», Journal of Cold Regions Engineering , vol. 2, нет. 1, стр. 13–24, 1988.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

8. Т. Миура, «Свойства бетона при очень низких температурах», Материалы и конструкции , том. 22, нет. 4, стр. 243–254, 1989.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

9. Демирбоа Р., Карагёль Ф. , Полат Р. и Кайгусуз М.А., «Влияние мочевины на набор прочности свежего бетона в условиях холодной погоды», Строительство и строительные материалы, , том. 64, стр. 114–120, 2014.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. RW Nurse, «Паровая отверждение бетона», Magazine of Concrete Research , vol. 1, нет. 2, стр. 79–88, 1949.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Академия Google

11. А. Г. Саул, «Принципы, лежащие в основе отверждения бетона паром при атмосферном давлении», Magazine of Concrete Research , vol. 2, нет. 6, стр. 127–140, 1951.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. М. Маслехуддин, К. Л. Пейдж и Рашидуззафар, «Влияние температуры на химический состав порового раствора в загрязненных цементах», Magazine of Concrete Research , vol. 48, нет. 5, стр. 5–14, 1997.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. Комитет ACI, «Стандартные технические условия для бетонирования в холодную погоду (повторно утверждены в 2002 г.)», Tech. Представитель ACI 306.1-90, Американский институт бетона, Мичиган, штат Мичиган, США, 2010 г.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

14. Комитет ACI, Руководство по бетонированию в холодную погоду ACI 306R-10, Американский институт бетона , Мичиган, штат Мичиган, США, 2010 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя

15. J. Liu, Y. Li, P. Ouyang, and Y. Yang, «Гидратация бинарной системы кремнезем-портландцемент при более низкой температуре», Construction and Building Materials , vol. 93, стр. 919–925, 2015.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

16. Р. Полат, «Влияние антифризных добавок на свежий бетон, подвергающийся циклам замораживания и оттаивания», Наука и технологии холодных регионов , том. 127, стр. 10–17, 2016.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

17. Z. Liu, A. Sha, L. Hu и X. Zou, «Лабораторное исследование гидратации портландцемента при низких температурах», Road Materials and Pavement Design , vol. 18, нет. sup3, стр. 12–22, 2017 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

18. З. Лю, А. Ша, Л. Ху и др., «Кинетическое и термодинамическое моделирование гидратации портландцемента при низких температурах», Chemical Papers , vol. 71, нет. 4, стр. 741–751, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

19. Л. Сяо и З. Ли, «Новое понимание механизма гидратации цемента посредством измерения удельного электрического сопротивления и исследования микроструктуры», Journal of Materials in Civil Engineering , vol. 21, нет. 8, стр. 368–373, 2009 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Академия Google

20. ASTM, Стандартная практика механического смешивания гидравлических цементных паст и строительных растворов пластичной консистенции C305-14, ASTM International West Conshohocken, Philadelphia, Pennsylvania, Pa, USA, 2014.

21. J. J. Beaudoin, P. Gu, J. Marchand, Б. Тамциа, Р. Э. Майерс и З. Лю, «Исследования замены растворителя в гидратированных портландцементных системах: роль гидроксида кальция», Advanced Cement Based Materials , vol. 8, нет. 2, стр. 56–65, 1998.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

22. Т. С. Пауэрс и Т. Л. Браунярд, «Исследования физических свойств затвердевшего портландцементного теста», Journal of the American Concrete Institute , 1946. Смит, Испытание на зрелость бетонных покрытий, 2005 г.

23. Л. Дж. Пэррот и Д. К. Киллох, «Прогнозирование гидратации цемента», Труды Британского керамического общества , с. 41, 1984.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

24. Ф. Лин и К. Мейер, «Моделирование кинетики гидратации портландцемента с учетом влияния температуры отверждения и приложенного давления», Cement and Concrete Research , об. 39, нет. 4, стр. 255–265, 2009 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

25. H.