ИнтерСтройЭкспо 2016
04.05.2016
С 20 по 22 апреля 2016 года в Санкт-Петербурге, в КВЦ «ЭКСПОФОРУМ» состоялась 22-я Международная выставка «ИнтерСтройЭкспо», крупнейшая на Северо-Западе России международная выставка строительных, отделочных материалов и строительной техники.
Евроасфальт и Евробитум 2016
29.04.2016
Конгресс, который состоится с 1 по 3 июня в Праге, станет важной вехой в развитии асфальтовой и битумной промышленности Европы. Предоставив возможность ведущим специалистам отрасли подвести итоги проделанной работы и наметить планы на будущее, он послужит полноценной стратегической платформой для ее дальнейшего развития.
 

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ ТОРКРЕТИРОВАНИЯ /Горная Техника 2012-1/

Вовк Анатолий Иванович
Как любая технология бетона торкретирование имеет ряд особенностей. Помимо специфических требований к составу бетонной смеси, типу и гранулометрии заполнителей качество укладываемого бетона сильно зависит от подготовки обрабатываемой поверхности, технических характеристик торкрет-установки и, особенно, квалификации оператора установки. При мокром способе торкретирования не меньшее значение имеет также комплекс применяемых добавок, обязательными (хотя и не единственными) компонентами которого являются суперпластификатор и ускоритель схватывания.
Задачей суперпластификатора является обеспечить: низкие значения В / Ц (обычно 0,35 – 0,45), гарантирующие низкую проницаемость и, соответственно, высокую долговечность возводимых конструкций; высокую подвижность бетонных смесей (≥П4) для нормальной подачи через сопло торкрет-установки; надежную сохраняемость подвижности во времени.
От ускорителя схватывания, казалось бы, требуется просто «работать по назначению», т.е. обеспечивать ускорение процессов структурообразования. Однако на самом деле это не так. Добавка должна не только обладать «быстродействием», т.е. в доли секунды превращать высокоподвижную бетонную смесь в жесткую, но и инициировать быстрое и стабильное нарастание механической прочности, а также не ухудшать показатели долговечности.
Первоначально при мокром способе торкретирования использовали щелочные ускорители (типа силикатов или алюминатов натрия), а иногда даже и хлорид кальция. Подобные ускорители позволяли эффективно укладывать бетон и способствовали быстрому набору прочности на самых ранних этапах, однако в зрелом возрасте приводили, как правило, к снижению прочности относительно контрольного состава. Да и с позиций обеспечения долговечности возводимых конструкций применение ускорителей подобного типа является однозначно опасным. Во многом именно отсутствие эффективных и коррозионно неопасных ускорителей схватывания длительное время сдерживало развитие мокрого торкретирования.
Обычно наиболее значимым достижением в сфере химических добавок в конце 20 века считают разработку и начало практического использования т.н. поликарбоксилатных суперпластификаторов, появление которых существеннейшим образом расширило возможности технологов в управлении технологическими характеристиками бетонных смесей и свойствами бетонов.
Однако примерно в это же время важные изменения произошли и среди ускорителей — казалось бы, наиболее изученной и консервативной группы химических добавок. Речь идет о создании т.н. нещелочных ускорителей схватывания.
При использовании нещелочных ускорителей прочность бетона в самые ранние сроки (до 2 – 3 час), как правило, несколько отстает от прочности бетонов со щелочными ускорителями, однако в последующем, включая и зрелый возраст, прочность (при прочих сопоставимых условиях) оказывается существенно выше. Полагают, что одним из факторов, определяющих различие в прочностных характеристиках, является влияние различных типов ускорителей на коэффициент уплотнения. Для традиционных ускорителей значение коэффициента составляет 0,94 – 0,95, а для нещелочных — 0,97 – 0,98. Разница в 0,03 единицы, казалось бы, незначительна, однако она соответствует различию в прочности примерно на 15 % [1].
Основой ускорителей схватывания нового типа является сульфат алюминия. Формально это соединение считается легкорастворимым: растворимость безводной соли составляет при 0 °С 31,2 г на 100 г воды [2], что соответствует концентрации ~ 24 %. На рынке химических добавок к бетону присутствуют продукты с такой концентрацией, однако применительно к рассматриваемой технологии какая добавка будет слишком разбавленной. Действительно, дозировки нещелочных ускорителей при торкретировании составляют, как правило, 5 – 7 % по товарному продукту. Даже при 50 %-ной концентрации ускорителя это означает введение дополнительных 10 – 15.л воды или изменение В / Ц на 0,025 – 0,035 единицы. При использовании более разбавленных растворов количество избыточной воды еще больше возрастает, что отрицательно сказывается на всех характеристиках бетона (скорости схватывания, адгезии наносимого слоя, прочности и долговечности бетона).
Кроме того, для сульфата алюминия характерно образование высокогидратированных форм: кристаллогидрата с 18 молекулами воды при 20 оС и с 27 молекулами воды при низких положительных температурах, т.е. концентрированные растворы сульфата алюминия весьма склонны к выпадению осадка вплоть до полного схватывания всего объема. Поэтому при создании бесхлоридного нещелочного ускорителя для технологии торкретирования необходимо решать 2 проблемы: стабилизации концентрированных растворов сульфата алюминия и усиления эффекта схватывания за счет надлежащего выбора вспомогательных компонентов.
Еще совсем недавно в России не было отечественных нещелочных ускорителей. Соответственно, все компании, применяющие технологию мокрого торкретирования, вынуждены были использовать коммерчески доступные импортные добавки. Компания «Полипласт» стала первой отечественной компанией, разработавшей оригинальный состав подобной добавки под названием «Реламикс Торкрет» (ТУ 5745 – 028.5804865-2008). Сопоставление физико-химических характеристик «Реламикс Торкрет» и наиболее известных зарубежных аналогов (табл. 1) указывает на неидентичность составов, свидетельствуя о различии способов стабилизации, выбранных каждой компанией.
Прежде, чем выводить новую добавку на рынок и предлагать ее к промышленному использованию, следовало понять основы механизма ее действия и изучить совместимость с различными цементами.
Неотъемлемой особенностью отечественной технологии бетонов (или характерной особенностью российских цементов) является выраженная индивидуальность поведения цементов различных заводов, формально относящихся к одному и тому же типу (включая, даже, СЕМ I) и произведенных по единому ГОСТ. Вследствие этого нередки ситуации, когда добавка, проявляющая высокую или удовлетворительную эффективность на одном цементе, оказывается низкоэффективной при переходе на аналогичный цемент другого завода. С целью оценки стабильности действия «Реламикс Торкрет» в бетонах на различных цементах мы сопоставили скорость набора первоначальной прочности для бетонов одного состава (Ц:П:Щ = 1:2:1,5), приготовленных на портландцементах различных заводов. Переменными в данном случае служили заявленная активность цемента (М400-М500), наличие или отсутствие минеральной добавки (Д0-Д20) и, конечно, реальные отличия в минералогии клинкера различных заводов. Как следует из данных, представленных в табл. 2, водопотребность большинства цементов оказалась идентичной (В / Ц=0,38), исключение составил лишь Мордовский цемент, содержащий минеральную добавку с высокой водопотребностью.
Со всеми цементами при введении «Реламикс Торкрет» наблюдалась моментальная потеря подвижности бетонных смесей и ускоренное твердение. Через 3 часа прочность образцов бетона находилась в диапазоне 0,29 – 0,57 мПа, при этом не наблюдалось никакой корреляции между прочностью бетона, с одной стороны, и В /.Ц, активностью цемента и наличием минеральной добавки, с другой стороны.
В более поздние сроки влияние активности цемента, его минералогического и вещественного состава проявляется достаточно отчетливо. Через 24 часа гидратации, как и следовало ожидать, по прочностным показателям составы бетонов расположились в порядке изменения активности и содержания клинкерной составляющей (аналогично изменению прочности бездобавочных бетонов):
ПЦ 500 Д0>>ПЦ 500 Д20>ПЦ 400 Д20
Однако различия в прочности у образцов на основе Новороссийского ПЦ 500 Д0 и на основе аналогичного цемента производства других заводов составили ~ 10 мПа!
Мы полагаем, что механизм моментальной потери подвижности бетонных смесей при введении нещелочных ускорителей основан на создании мгновенного пересыщения жидкой фазы по Al3+ и SO42- и массового выделения микрокристаллов гидросульфоалюминатов кальция. Это подтверждается и данными исследования [3], согласно которым при использовании нещелочного ускорителя уже через час количество AFt-фазы возрастает в 2 – 3,5 раза при среднем уровне дозировок ускорителя и в 6 – 7 раз при повышенной дозировке. Рост содержания гидросульфоалюминатов кальция наблюдается и в последующие часы твердения. Подобное массовое и стабильное во времени образование эттрингита предполагает участие в реакции гидролитической извести. Действительно, по данным Мальтезе [3], содержание портландита в присутствии нещелочных ускорителей снижается по сравнению с референтным составом в 2 и более раза.
Согласно классическим положениям гидратации портландцемента, массовое выделение CSH-фазы вследствие гидратации алита обычно начинается лишь через несколько часов после затворения цемента водой [4]. Исходя из анализа собственных эмпирических и литературных данных, мы полагаем, что на самых ранних этапах кинетика твердения цементных систем с Реламикс Торкрет будет преимущественно обусловлена образованием эттрингита.
Важная роль портландита и быстрогидратирующихся клинкерных фаз в кинетике начального структурообразования при добавлении нещелочного ускорителя схватывания может быть наглядно проиллюстрирована сопоставлением сроков схватывания цементного теста на основе Новороссийского ПЦ 500 Д0 (Ц1) и его нормированного аналога (Ц2). Определенные по стандартной методике (для теста с нормальной густотой) сроки схватывания составили: для Ц1 — начало 2час 30 мин, конец 4 час 35 мин, для Ц2 — начало 2час 00 мин, конец 3 час 30 мин. Та же закономерность (несколько более быстрое схватывание теста нормированного цемента) наблюдалась и при иных значениях В /.Ц (рис. 1 – 2, точки «ноль»). Однако при добавлении «Реламикс Торкрет» более быстрое схватывание (особенно при умеренных дозировках — 3 – 4 %) наблюдается уже у теста обычного цемента, что может быть отнесено к более высокому содержанию в нем алита и трехкальциевого алюмината.
При повышенных (7 – 9 %) дозировках «Реламикс Торкрет» скорость начального структурообразования тест обычного и нормированного портландцементов практически (в пределах ошибки измерения) выравниваются. Однако при избыточном водосодержании теста конец схватывания менее активного нормированного портландцемента не удается ускорить в достаточной степени, поэтому в реальных производственных условиях предпочтительнее регулировать подвижность бетонных смесей увеличением дозировки суперпластификатора, но не водоцементного отношения.
Тоннелестроение, как и все транспортное строительство (а, может быть, еще и в большей степени!), является весьма консервативной отраслью. Для того, чтобы новая разработка попала на объекты, недостаточно наличия сертификата соответствия у добавки и, даже, опыта работы компании в других сферах строительства. Ведущим научным центром России по транспортному строительству является ЦНИИС, а в области тоннелестроения — его подразделение НИЦ «Тоннели и метрополитены». В этом центре и проходила всесторонняя проверка добавки «Реламикс Торкрет».
В ходе исследования, подтвердившего высокую эффективность добавки в целом, специалисты НИЦ «Тоннели и метрополитены» отметили 2 необычные характеристики. Во-первых, эффективность добавки не снижалась при использовании лежалого (3,5 мес) цемента как по влиянию на сроки схватывания (рис. 3), так и по набору прочности. Для параллельно испытывавшегося образца коммерчески доступного импортного ускорителя (тип 1 по табл. 1) наблюдалось значительное снижение скорости набора прочности после 7 сут твердения. Во-вторых, «Реламикс Торкрет» показал хорошую совместимость со всеми типами суперпластификаторов, включая и импортные добавки различных фирм.
При торкретировании питание набрызг-машины осуществляется, как правило, путем подвоза товарного бетона в автомиксере. С учетом напряженного дорожного движения и возможных непредвиденных остановок в производстве работ поставляемая бетонная смесь должна сохранять высокую подвижность в течение 3 и более часов. Поэтому предпочтительным является использование добавок суперпластификаторов с эффектом замедления схватывания.
К моменту разработки «Реламикс Торкрет» в товарной линейке компании «Полипласт» уже существовала группа добавок-регуляторов сохраняемости подвижности на различной основе (ЛСТ — Линамикс П-90, ПНС — Линамикс СП-180, поликарбоксилатов — Линамикс ПК).
Уже отмечалось, что «Реламикс Торкрет» хорошо совместим с добавками на различной основе. Как показали первые натурные испытания, в реальных условиях прочность кернов бетона, уложенного с суперпластификатором на ПНС-основе, не только не уступала, но, как правило, превосходила прочность бетона с импортными поликарбоксилатными добавками (табл. 3). Следовало более тщательно изучить кинетику развития прочности в самом раннем возрасте для различных сочетаний «суперпластификатор — Реламикс Торкрет» и определить оптимальные сочетания и дозировки.
Казалось вполне очевидным, что наличие у суперпластификатора эффекта улучшенной сохраняемости может сказаться на ранней прочности торкрет-бетона. Лабораторные исследования подтвердили, что это действительно так (табл. 4). Различия в прочности для составов с «обычным» и «замедляющим» суперпластификатором при одинаковой дозировке ускорителя наиболее существенно в 3 часа и далее планомерно снижается. Эффект замедления набора ранней прочности более выражен у комплексной добавки на основе ПНС, чем у поликарбоксилатов, и различия в прочности исчезают только к 1 сут. Увеличение дозировки «Реламикс Торкрет» в паре с поликарбоксилатом-замедлителем до 6 % позволяет уже в 5 час обеспечить прочность, примерно равную прочности бетона с обычным поликарбоксилатным суперпластификатором и дозировкой «Реламикс Торкрет» 5 %.
Возможность легкого управления кинетикой набора прочности торкрет-бетоном путем незначительного изменения расхода «Реламикс Торкрет» была далее подтверждена в полевых условиях в ходе бетонирования Северного портала тоннеля №.2 при строительстве дублера Курортного проспекта (г. Сочи). Бетонирование велось с использованием набрызг-машины SIKA-PM, прочностные характеристики нанесенного слоя бетона определяли с помощью пенетрометра БАСФ. При использовании в качестве регулятора подвижности добавки Линамикс СП-180 увеличение расхода ускорителя «Реламикс Торкрет» всего на 9 % (с 6,9 % до 7,5 %) позволило обеспечить наиболее быстрый набор прочности, превосходящий показатели, достигнутые с поликарбоксилатными добавками (табл. 5). Важно отметить, что диапазон оптимальных дозировок «Реламикс Торкрет» практически не отличается от рабочих дозировок импортных нещелочных ускорителей, ранее использовавшихся на данном объекте.
В ходе набора практического опыта применения «Реламикс Торкрет» было показано, что прочность бетона с «Реламикс Торкрет» не уступает (а даже несколько превышает) прочность бетона без ускорителя (табл. 6). В соответствии с предложенным механизмом это может быть объяснено положительным влиянием замены в микроструктуре цементного камня кристаллов малопрочного портландита на эттрингит.
По результатам всех лабораторных исследований и производственных испытаний НИЦ «Тоннели и метрополитены» официально рекомендовал «Реламикс Торкрет» в комплексе с суперпластификаторами компании «Полипласт» для набрызг-бетонов, используемых при креплении выработок строящихся тоннелей. В настоящее время «Реламикс Торкрет» используется ведущими компаниями, участвующими в строительстве объектов транспортной инфраструктуры к Олимпиаде 2014 г.: ОАО «Тоннельный отряд 44», ООО «Тоннельдорстрой», ЗАО «Управление строительства «Южная горно-строительная компания»», ООО «УМГКР», ООО «БТС-Гидрострой».
Как правило, для обеспечения длительной сохраняемости подвижности используется добавка Линамикс ПК, эмпирически полученное среднее значение потери подвижности при использовании ПЦ 500 Д0.Н Новороссийского цементного завода составляет 1 см за 60 мин. Усредненные характеристики бетонных смесей для двух объектов приведены в табл. 7, средняя производительность бетонирования составляла 14 м3/ч.
Литература
1. M. Collepardi. The New Concrete. Publ. By Grafiche Tintoretto-Vicolo Verdi 45./.47 — Castrelle di Villorba TV, 2006, 421 P
2. Краткая химическая энциклопедия. М., «Советская энциклопедия», 1961, т. 1, с. 158 – 159.
3. C. Maltese, C. Pistolesi, D. Salvioni et al. Effects of High Accelerator Dosages on the Physical, Chemical and Morphological Properties of a Hydrating Portland Cement Paste. Proc. Ninth ACI International Conference, Seville, Spain, October 2009, SP 262 – 15, p. 201 – 213.
4. Х. Тейлор. Химия цемента. М., «Мир», 1996, 560 с.

< Назад

 

Поиск

Автор
Год выпуска
Горная наука и проектирование в современных условиях /Горная Техника 2009/
Если говорить о науке, то раньше в роли заказчика всегда выступало государство: как правило, в лице Государственного комитета по науке и технике или Академии наук, реже в каких‑то других формах. Сегодня, когда заказчика «государство» у научно-исследовательских институтов нет, создаваемый ими фундаментальный научный «продукт» оказался невостребованным. И сами ученые, и руководство институтов, десятилетиями работавших в составе соответствующих министерств (т.н. «отраслевая» наука) или Академии наук (академические институты), оказались в известной степени дезориентированными
  © 2008 Славутич Разработка сайта Vitrum-Media