Оцінка та урахування екзотермії цементів у технології залізобетонних контейнерів

При виконанні досліджень використовувались відповідні методики, прилади та обладнання вимірювально-обчислюючого комплексу термокінетичного аналізу калориметричного центру будівельного матеріалознавства ім. О. П. Мчедлова-Петросяна. Крім того, розроблено і виготовлено термосний (приоб'єктний) калориметр для виміру характеристик тепловиділення виробничих складів бетону безпосередньо при виготовленні ВБК. Обробка та накопичення інформації проводилися з допомогою пакету прикладних програм для IBM-сумісного персонального комп'ютера.

Для розрахунку температурних полів розроблена методика з моделлю виробу циліндричного типу (рис. 1).

Вирішення поставленного завдання ускладнюється рядом обставин. Серед них – визначена вище зміна значень коефіцієнтів теплоємності, тепло- і температуропровідності бетону на ранніх стадіях тверднення (до 5…10 год), а також величин температури всередині виробу внаслідок того, що розвивається теплообмін. Після прийняття ряду допущень та обмежень одержана система рівнянь, яка описує зміни теплопровідності бетону виробу з урахуванням умовного ступеня перетворення (гідратації), температури повітря всередині контейнера та умов теплообміну з навколишнім середовищем.

Рівняння теплопровідності з внутрішнім джерелом тепла в циліндричних координатах записується у вигляді

 

  (1)

 

де – щільність бетону, кг/м3;

с – питома теплоємність бетону, Дж/кг С;

– коефіцієнт теплопровідності бетону, Вт/м С;

Ц – витрати цементу, кг/м3;

Q28 – тепловиділення цементу в 28 діб, Дж/кг;

28 – умовний ступінь перетворення в 28 діб.

 

Рис. 1. Схема для розрахунку температурних полів

 

Зміна умовного ступеня перетворення при гідратації в залежності від температури і часу визначається за виразом

 

 , (2)

 

де а0 і а1 – коефіцієнти, що визначаються за калориметричними даними в ізотермічних умовах при двох різних температурах

(а0 – безрозмірний коефіцієнт, а1 – має розмірність 1/ С) ;

T0 – температура, при якій визначається коефіцієнт а0, С;

– умовний ступінь перетворення цементу в момент часу .

Зміна температури повітря всередині контейнера описується рівнянням

 

 . (3)

 

Тут в – щільність повітря, кг/м3;

св – питома теплоємність повітря, Дж/кг С;

1 – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2 С;

1 – коефіцієнт теплопровідності сталі, Вт/м С;

Tв – температура повітря всередині виробу, С;

Tо – початкова температура повітря, С;

r1 – внутрішній радіус контейнера, м;

h – товщина кришки, м;

H – висота стінки, м.

Температурні напруження для циліндра з концентричним круглим отвором розраховуються за відомими залежностями А. Коваленка з поправкою С. Олександровського для граничного значення модуля миттєво пружної деформації, залежного від віку і швидкості набору бетоном міцності.

Перший етап роботи був присвячений обгрунтуванню придатності цементів українських виробників і хімічних добавок для технології ВБК. Згідно з вимогами нормативних документів, в т. ч. ASTM С150-94, теплота гідратації цементів не повинна перевищувати 70 кал/г у віці 7 діб. Враховувалось, що, відповідно з попередніми розрахунками, температура бетону ВБК може досягати 60... 70 С.

Для калориметричного аналізу вибрано низько- і середньоалюмінатні цементи українських і молдавського заводів. Було встановлено, що для цементів, які вивчаються, значення теплоти гідратації за 7 діб наближено рівні цим показникам при температурі 40 С за 24 год. За результатами експерименту обгрунтовано ряд переваги цементів таких заводів: Кам'янець-Подільський (61 кал/г) > Рибницький (50 кал/г) > Івано-Франківський (48 кал/г) > Здолбуновський (44 кал/г).

Технологія контейнерів передбачає використання ряду хімічних добавок регуляторів властивостей бетонних сумішей, структури бетону (повітрявтягування). Відомо, що добавки цих типів на основі ПАР, сприяючи покращенню реологічних властивостей, скороченню водовмісту і витрат цементу, уповільнюють гідратацію на ранніх стадіях внаслідок їх адсорбції на вихідному в'яжучому і новоутвореннях, знижуючи показники тепловиділення.

У роботі виконано термокінетичний аналіз тепловиділення при твердненні вказаних вище цементів у присутності пластифікаторів – С-3, Реобілд-1000 і Поліхід-997, повітрявтягувальних добавок – смоли деревної омиленої (СДО) і Майкро-еар. Добавки, в залежності від технологічних міркуваннь, вводяться окремо або в комплексі.

Всі добавки, що вводяться, уповільнюють початкову гідратацію. Знижується значення основного екзоефекту, збільшується час досягнення найбільшої швидкості тепловиділення. Ці факти служать безперечним підтвердженням справедливості уявлень про механізм впливу сильних пластифікаторів на швидкість і повноту гідратаційної взаємодії в результаті переважної їх адсорбції на новоутвореннях. Добавка С-3 уповільнює час настання максимуму екзотермії на 7... 8 год, а його значення знижується в 1, 5 рази з 50 до 34 кал/г. При реалізації завдань технології ВБК це дозволить більш тривалий період зберігати властивості бетонної суміші при транспортуванні від моменту виготовлення до формування. Крім того, що не менш важливо, низька інтенсивність процесів тверднення цементу в присутності добавки буде сприяти зниженню швидкості розігрівання бетону в тілі контейнера. Ця обставина підтверджується і зниженням інтегральних значень тепловиділення в першу добу під дією всіх добавок, які вивчаються.

Результати калориметричного аналізу наповнюють відповідні банки даних і базу знань ІТ