Применение ингибиторов тепла гидратации цемента для борьбы с термическим трещинообразованием в массивных бетонных конструкциях

Введение. Проблема температурного трещинообразования вследствие гидратации цемента в массивных бетонных конструкциях привлекает внимание многих отечественных и зарубежных ученых. В настоящее время существует множество мероприятий по предотвращению образования температурных трещин при твердении бетона. Можно разделить их на два основных класса. Первый — это технологические мероприятия в процессе строительства. Второе направление связано с оптимизацией состава бетона, в том числе с использованием различных добавок. Одним из видов таких добавок являются ингибиторы тепловыделения цемента. Их использование позволяет снизить тепловыделение от гидратации цемента на ранней стадии твердения бетона. Это в значительной мере снижает риск образования температурных трещин. Метод — достаточно новый и полностью не исследован на сегодняшний день.

Материалы и методы. На основе метода конечных элементов (МКЭ) выполнена оценка влияния добавки ингибитора понижения тепла гидратации цемента (ИПТ) на вероятность образования термических трещин при бетонировании массивных бетонных конструкций. Выполнены расчеты температурного режима и термонапряженного состояния бетонного массива после его возведения. Рассматривались два варианта состава бетонной смеси: обычный состав без использования ингибитора и состав с добавлением ингибитора тепла гидратации. Численные исследования проведены на базе МКЭ с применением программного комплекса Midas Civil 2019.

Результаты. В результате численных решений для двух вариантов составов бетона получено распределение температуры и температурных напряжений в возведенном бетонном массиве. Дана оценка риска температурного трещино-
образования.

Выводы. Ингибиторы понижения теплоты гидратации эффективны для снижения температуры гидратации в массивных бетонных конструкциях. При добавлении 1 % ИПТ от веса цемента при строительстве массивных бетонных конструкций значительно снижается риск появления термических трещин.

1. Kuzmanovic V., Savic L., Mladenovic N. Computation of Thermal-Stresses and Contraction Joint Distance of RCC Dams // Journal of Thermal Stresses. 2013. Vol. 36. Issue 2. Рр. 112–134. DOI: 10.1080/01495739.2013.764795

2. Atrushi D.S. Tensile and compressive creep of young concrete: Testing and modelling : Doctoral Thesis. 2003. 333 p.

3. Bofang Z. Thermal stresses and temperature control of mass concrete. Butterworth-Heinemann, 2014. DOI: 10.1016/C2012-0-06038-3

4. Gajda J., Vangeem M. Controlling temperatures in mass concrete // ACI Concrete International. 2002. Vol. 24. Issue 1. Рр. 59–62.

5. Орехов В.Г., Анискин Н.А., Малаханов В.В., Бестужева А.С., Саинов М.П., Солдатов П.В. и др. Гидротехнические сооружения. Часть 2. М. : АСВ, 2011. 535 c. EDN QNPLYZ.

6. Zhang X., Shi R., Dai H., Liu Q., Zhang X. Simulation and research on temperature field of taishan roller compacted concrete gravity dam // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 237. Р. 032117. DOI: 10.1088/1755-1315/237/3/032117

7. Nguyen T.C., Bui A.K. Evaluation of the impact of parameter inputs of concrete mix on the distribution of temperature in the mass concrete structure // Structural Integrity and Life. 2019. Vol. 19. Issue 1. Рр. 8–12. EDN KPTOUC.

8. Kong F.R., Pan L.S., Wang C.M., Zhang D.L., Xu N. Effects of polycarboxylate superplasticizers with different molecular structure on the hydration behavior of cement paste // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 105. Рр. 545–553. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.12.178

9. Zhang H., Wang W., Li Q., Tian Q., Li L., Liu J. A starch-based admixture for reduction of hydration heat in cement composites // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 173. Рр. 317–322. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.199

10. Wang X., Shi M., Wang X. Application of hydration heat inhibitor in crack control of mass concrete of tunnel side wall // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 283. P. 01032. DOI: 10.1051/e3sconf/202128301032

11. Liang T., Luo P., Mao Z., Huang X., Deng M., Tang M. Effect of Hydration Temperature Rise Inhibitor on the Temperature Rise of Concrete and Its Mechanism // Materials. 2023. Vol. 16. Issue 8. P. 2992. DOI: 10.3390/ma16082992

12. Malaiškienė J., Vaičienė M. The Influence of Silica Fly Ash and Wood Bottom Ash on Cement Hydration and Durability of Concrete // Materials. 2024. Vol. 17. Issue 16. P. 4031. DOI: 10.3390/ma17164031

13. Yan Y., Ouzia A., Yu C., Liu J.P., Scrivener K.L. Effect of a novel starch-based temperature rise inhibitor on cement hydration and microstructure development // Cement and Concrete Research. 2020. Vol. 129. P. 105961. DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.105961

14. Zhang H., Liu X., Feng P., Li L., Wang W. Influence of temperature rising inhibitor on nucleation and growth process during cement hydration // Thermochimica Acta. 2019. Vol. 681. P. 178403. DOI: 10.1016/j.tca.2019.178403

15. Wang X., Shi M., Wang X. Application of hydration heat inhibitor in crack control of mass concrete of tunnel side wall // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 283. P. 01032. DOI: 10.1051/e3sconf/202128301032

16. Zhang H., Li L., Feng P., Wang W., Tian Q., Liu J. Impact of temperature rising inhibitor on hydration kinetics of cement paste and its mechanism // Cement and Concrete Composites. 2018. Vol. 93. Рр. 289–300. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2018.07.018

17. Shao X., Ning J., Tang R., Fang Z., Zhao B., Xu B. et al. Effect of temperature-rising inhibitor on the hydration and performance of cemented paste-filling material // Case Studies in Construction Materials. 2023. Vol. 19. P. e02680. DOI: 10.1016/j.cscm.2023.e02680

18. Xu W., Qiang S., Hu Z., Ding B., Yang B. Effect of hydration heat inhibitor on thermal stress of hydraulic structures with different thicknesses // Advances in Civil Engineering. 2020. Vol. 2020. Issue 1. DOI: 10.1155/2020/5029865

19. Aniskin N.A., Shaytanov A.M. Optimization of the Temperature and Thermo-Stressed State of a Concrete Dam Constructed from Particularly Lean Roller-Compacted Concrete // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 4. P. 914. DOI: 10.3390/buildings13040914

20. Jia C., Shao A., Li Y., Ren Q. Analyses of thermal stress field of high concrete dams during the process of construction // 2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. 2010. Рр. 1–5. DOI: 10.1109/APPEEC.2010.5449456