Твердение бетона

Твердение бетона должно происходить в теплой и влажной среде, так как его прочность нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия цемента с водой протекающие нормально только при таких условиях.

Состав статьи:

Режимы твердения бетона:

〉  Нормальный при температуре 15…20°С;

〉 Тепловлажностная обработка при температуре до 100°С и нормальном давлении;

〉 Автоклавная обработка — пропаривание при повышенном давлении (0,8…1,5 МПа) и температуре 174…200°С.

〉 Электропрогрев бетонных изделий;

〉 Обработка бетонных изделий в термобассейнах;

〉 Контактный обогрев изделий;

 

Прочность бетона нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия цемента с водой, которые нормально проходят в теплых и влажных условиях. Взаимодействие цемента с водой прекращается, если бетон высыхает или замерзает. Раннее высыхание или замерзание бетона непоправимо ухудшает его строение и свойства.

Бетон нуждается в уходе, создающем нормальные условия твердения, в особенности в начальный период после укладки (до 15 — 28 сут). В теплое время года влагу в бетоне сохраняют путем поливки и укрытия. На поверхность свежеуложенного бетона наносят битумную эмульсию или его укрывают полиэтиленовыми и другими пленками.

Читай также на сайте особенности бетонирования зимой

Характер нарастания прочности бетонов, изготовленных на портландцементе и твердевших в нормальных условиях (во влажном воздухе с температурой 18 — 22°С), показан рис. 1. Приближенно можно считать, что прочность бетона увеличивается прямо пропорционально логарифму времени твердения: Rt=R28(lgt/lg28), где t-время твердения, сут( не менее трех суток); R28-марка бетона в возрасте 28 суток.

Эту формулу используют при ориентировочных расчетах времени распалубки. Более точно прочность бетона в промежуточные сроки твердения определяется по опытной кривой нарастания прочности бетона, которая может быть построена по результатам испытания образцов 3-,7-,28-,90- суточного возраста.
Рисунок-1. Нарастание прочности бетонов в нормальных условиях твердения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно из рисунка-1, бетон при нормальных условиях твердения имеет низкую начальную прочность и только через 7 — 14 сут приобретает 60 — 80% марочной прочности.

Для получения такой прочности надо было бы выдерживать изделия в формах в нормальных условиях не менее 7 сут, что потребовало бы громадного количества форм, большого увеличения производственных площадей. Поэтому одной из главных задач в технологии бетона является усовершенствование существующих и разработка новых методов ускорения твердения бетона. Значительный вклад в решение этой задачи внесли П. И. Боженов, А. В. Волженский, О. А. Гершберг, С. А. Миронов, А. В. Нехорошев и др.

Условия твердения бетона

В зависимости от температуры среды различают следующие три принципиально отличающихся режима твердения изделий:

〉  Нормальный при температуре 15…20°С;

〉 Тепловлажностная обработка при температуре до 100°С и нормальном давлении;

〉 Автоклавная обработка — пропаривание при повышенном давлении (0,8…1,5 МПа) и температуре 174…200°С.

Независимо от режима твердения относительная влажность среды должна быть близкой к 100%. Иначе будет происходить высушивание изделий, что приведет к замедлению или прекращению роста их прочности, так как твердение бетона есть в первую очередь гидратация цемента, т. е. взаимодействие цемента с водой.

Нормальные условия твердения

Нормальные условия твердения достигаются в естественных условиях без затрат тепла. Это важнейшее технико-экономическое преимущество указанного способа твердения, отличающегося простотой в организации и минимальными капитальными затратами. В то же время экономически оправдан он может быть только в исключительных случаях.

В естественных условиях изделия достигают отпускной 70%-нойпрочности в течение 7… 10 сут, тогда как при искусственном твердении — пропаривании или автоклавной обработке — эта прочность достигается за 10…16 ч. Соответственно при этом снижается потребность в производственных площадях, объеме парка форм, сокращается продолжительность оборачиваемости средств.

Это и является причиной применения на большинстве заводов искусственного твердения. В то же время стремление отказаться от последнего является актуальной проблемой современной технологии бетона. Уже имеются бетоны, которые в течение одних суток при нормальных условиях твердения приобретают до 40…50% проектной прочности.

Это достигается применением высокопрочных быстротвердеющих цементов, жестких бетонных смесей, интенсивного уплотнения вибрацией с дополнительным пригрузом, применением добавок — суперпластификаторов, ускорителей твердения, виброактивизации бетонной смеси перед формованием, применением горячих бетонных смесей. Дальнейшее развитие работ в этом направлении позволит,по-видимому,в ближайшие годы отказаться в ряде случаев от искусственного твердения.

Тепловлажностная обработка при нормальном давлении может осуществляться несколькими способами: пропариванием в камерах; электроподогревом; контактным обогревом; обогревом лучистой энергией; тепловой обработкой изделий в газовоздушной среде; горячим формованием. Среди приведенного разнообразия технико-экономическое преимущество пока остается за пропариванием в камерах периодического и непрерывного действия, а также в среде продуктов сгорания природного газа.

На заводах сборного железобетона чаще всего применяют прогрев изделий при атмосферном давлении в паровоздушной среде с температурой 80 — 85°С или выдерживание в среде насыщенного пара при 100°С. Стремятся применять насыщенный пар, чтобы исключить высыхание бетона и создать условия, благоприятствующие гидратации цемента.

Пропаривание при нормальном давлении осуществляют в пропарочных камерах периодического или непрерывного действия. В первом случае отформованные изделия, находящиеся в формах или на поддонах, загружают в камеру с крышкой, которая имеет водяной затвор, препятствующий потере пара. В камеру подают пар, и температура постепенно (со скоростью 15 — 20°С/ч) повышается до максимальной (80 — 100°С). При этом изделия прогреваются на всю толщину.

Затем дается изотермическая выдержка, после которой изделия медленно охлаждаются. Постепенный подъем температуры и постепенное охлаждение обеспечивают более полную гидратацию цемента и предотвращают появление трещин в изделиях. Продолжительность пропаривания зависит от химико-минералогической характеристики цемента и состава бетона: для изделий из подвижных бетонных смесей — 4 — 8 ч. Режим пропаривания устанавливают после опытной проверки.

Прочность пропаренного бетона (т. е. примерно через 1 сут после изготовления) составляет около 65 — 75% от марки. Следовательно, пропаривание при нормальном давлении ускоряет твердение бетона примерно в 7 — 8 раз (рисунок-2).
Рисунок-2. Кривые нарастания прочности бетона:

 

 

 

 

 

 

 

1 — нормально твердеющего; 2 — пропаренного при нормальном давлении и температуре 85°С; 3 — пропаренного в автоклаве при давлении насыщенного пара 0,8 МПа и температуре 175°С

Различают туннельные (горизонтальные) и вертикальные камеры тепловой обработки непрерывного действия. Формы-вагонетки с отформованными изделиями в этих камерах последовательно проходят три зоны: подогрева, изотермической выдержки и охлаждения. В этих камерах процесс тепловой обработки изделий осуществляется с использованием принципа противотока.

Рисунок-3. Схема пропарочной камеры непрерывного действия с автоматическим регулированием процесса, тепловой обработки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 — датчики температуры; 2 — программный регулятор, настроенный на поддержание заданной температуры в точках А и Б; 3 — электрический исполнительный механизм, приводящий в действие устройство; 4 — устройство, регулирующее подачу пара; 5 — верхняя зона камеры; 6 — перфорированная труба; 7 — автоматический регистратор температуры (по высоте камеры)

Как видно на рисунке-3, пар поступает в верхнюю зону камеры (зону изотермического прогрева) через перфорированную трубу. Холодные изделия движутся вверх навстречу все более горячей паровоздушной среде, осле прохождения зоны изотермического прогрева изделия опускаются вниз и постепенно охлаждаются.

Рисунок-4. Пропарочная камера ямного типа:

1-паропровод из котельной; 2; 3-нижняя и верхняя перфорированные трубы подводки пара; 4-замок;5-трубопровод подогретой воды; 6-конденсатор.

Среди камер периодического действия основное применение находят камеры ямного типа ( смотри рисунок-4), имеющие глубину 2 м и на 0,5…0,7 м выступающие над уровнем пола цеха. Размер камеры в плане соответствует размеру изделий или кратен им.Наиболее целесообразным является размер камеры, соответствующий размеру одного изделия в плане.

В этом случае загрузочная емкость камеры и непроизводительный простой камеры под загрузкой будут минимальными. Однако при этом возрастает потребность в количестве камер. Технико-экономический анализ показал, что наиболее целесообразным оказывается размер камеры в плане, соответствующий размеру двух изделий.Стенки камеры выкладываются из кирпича или делаются бетонными.

Сверху камера закрывается массивной крышкой с теплоизоляционным слоем, предупреждающим потери тепла. Для предупреждения выбивания пара в стенках камеры сверху ее предусматривается канавка, засыпаемая песком или заливаемая водой.В эту канавку входят соответствующие выступы на крышке камеры. Таким образом создается затвор, препятствующий выбиванию пара из камеры.

Изделия загружаются в камеру краном в несколько рядов по высоте. Если изделия в формах, то каждый верхний ряд изделий устанавливают на стенки нижележащей формы (через деревянные прокладки). При формовании же изделий с частичной немедленной распалубкой поддон с изделием устанавливают на специальные откидывающиеся выступы, предусмотренные в стенках камеры.

Режим пропаривания в камерах характеризуется продолжительностью подъема температуры, выдержкой при максимальной температуре, продолжительностью охлаждения, а также наибольшей температурой в период изотермического прогрева. Применяют самые разнообразные режимы твердения в зависимости от свойств цемента и его вида, свойств бетонной смеси (жесткая или подвижная), вида бетона (тяжелый или легкий), размеров изделий (тонкие или массивные).

В качестве усредненного можно привести следующий режим: подъем температуры со скоростью 25…35°С/ч, снижение температуры — 30…40 °С/ч, изотермическая выдержка 6…8 ч и максимальная температура 80…90°С. Таким образом, общая продолжительность пропаривания для изделий на обыкновенном портландцементе в среднем составляет 12… 15 ч.

Твердение изделий — наиболее продолжительная операция, в десятки раз превышающая все другие. Это требует изыскания путей снижения продолжительности пропаривания, для чего необходимо знать определяющие факторы.
В первую очередь на режим твердения оказывает влияние вид цемента.

Применение быстротвердеющих цементов (алитовых и алитоалюминатных портландцементов) позволяет до 2 раз сократить продолжительность изотермической выдержки. Кроме того, оптимальная температура прогрева изделий на этих цементах 70…80°С существенно сокращает время, потребное на нагрев и охлаждение изделий. В совокупности общая продолжительность тепловлажностной обработки изделий на алитовых и алитоалюминатных, быстротвердеющих портландцементах снижается до 6…8 ч.

За этот период получают изделия с прочностью бетона, равной 70…80% от проектной. Медленнотвердеющие цементы (пуццолановые и шлакопортландцементы) требуют более продолжительной изотермической выдержки (до 10… 14 ч) и более высокой температуры изотермического прогрева (до 95…100°С). Таким образом, общая продолжительность пропаривания бетонных изделий, приготовленных на пуццолановых или шлакопортландцементах, составляет 16…20 ч.

Применение жестких бетонных смесей, имеющих низкое начальное водосодержание, позволяет на 15…20% уменьшить продолжительность пропаривания. Если учесть, что дополнительные затраты энергии и труда на формование жестких смесей не превышают 10… 15% и компенсируются снижением расхода цемента при этом, то экономическая целесообразность применения жестких смесей становится очевидной и в данном случае.
Изделия из легких бетонов, как, например, медленно прогревающиеся в силу их повышенных теплоизоляционных качеств, требуют и более продолжительного режима тепловлажностной обработки.

 

Способ формования предварительно подогретой до 75…85°С бетонной смеси получил название «горячего формования», при котором изделия поступают в камеру в подогретом виде и не требуют, таким образом, времени на их подогрев до максимальной температуры пропаривания. Этот способ предусматривает отказ от пропаривания. Свежесформованные горячие изделия укрывают (способ термоса) и оставляют на 4…6 ч, в течение которых бетон набирает необходимую прочность. Подогрев бетонной смеси производят электрическим током в течение 8…12 мин.

Электропрогрев бетона

Электропрогрев изделий по своим техническим свойствам и санитарно-гигиеническим условиям производства имеет несравнимое преимущество перед всеми другими способами. Тормозят его развитие недостаток и все еще высокая стоимость электроэнергии. Расход электроэнергии при электротермической обработке бетона в среднем составляет 80… 100 кВт·ч на 1 м³ изделий.

Электропрогрев изделий достигается путем прохождения переменного тока через бетон. Последний, обладая электрическим сопротивлением большим, чем подводящие к нему ток электроды, разогревается в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Количество тепла (кДж), выделяющегося в бетоне при прохождении через него электрического тока, в соответствии с законом Джоуля — Ленца прямо пропорционально затраченной электроэнергии в единицу времени (времени прохождения тока) и тепловому эквиваленту работы:
Q = 377I²Rt,
где I — сила тока, A; R — сопротивление бетона, Ом;t — время, ч.
Так как произведение -IR равно напряжению-U, а произведение-Ut характеризует электрическую мощность -Р (Вт), то количество тепла (кДж), выделяемого при прохождении тока через бетон,
Q = 3,8Pt, т. е. 1 Вт· ч электроэнергии выделяет 3,8 кДж тепла. Электропрогреву в открытых формах подвергают изделия массивные, так как тонкостенные изделия при этом способе могут пересыхать, поэтому их целесообразно прогревать электрическим током в кассетах. Напряжение тока в начале электропрогрева принимают равным 65…90 В, а в конце — до 150…220 В. По мере отвердения электропроводность бетона понижается и для прохождения через него электрического тока требуется большое напряжение.

При электропрогреве бетона в качестве источника тепла используют электрическую энергию. Для прогрева бетона применяют трехфазный переменный ток нормальной частоты (50 Гц). Постоянный ток не пригоден, так как он вызывает разложение (электролиз) воды. Распределение тока в уложенном бетоне осуществляется через металлические электроды, располагаемые или на поверхности бетона (пластинчатые, полосовые), или внутри него (внутренние стержневые и струнные),

Значительный эффект дает применение кратковременного (в течение 5 — 10 мин) электроразогрева бетонной смеси до температуры 80 — 90°С в специальных бункерах током напряжением 380 В. Предварительно разогретую смесь укладывают в формы и уплотняют. Выделение тепла при гидратации цемента способствует поддержанию повышенной температуры твердеющего бетона и ускорению его твердения.

Способ предварительного электроразогрева смеси успешно применяют при зимних бетонных работах.

Обработка бетона лучистой энергией

Обработка лучистой энергией эффективна для тонкостенных полых изделий. Излучатели инфракрасных лучей в виде нагревательных устройств, обогреваемых электрическим током или газом, помещают в пустоты изделий. Стенки изделия поглощают лучистую энергию, которая аккумулируется в бетоне в виде тепла.

Небольшие добавки (хлористого кальция, хлористого натрия, кальцинированной соды, растворимого стекла) ускоряют процессы твердения цемента. Дозировка хлористого кальция составляет 1 — 2% от массы цемента (считая на безводную соль). Увеличение добавки хлористого кальция может привести к коррозии стальной арматуры, а также к появлению высолов на поверхности бетона.

Добавка хлористого кальция в 2 — 4 раза увеличивает начальную прочность бетона (в возрасте до 3 сут), а прочность бетона в возрасте 28 сут остается примерно той же, что и без добавки. При введении хлористого кальция надо учитывать, что он оказывает пластифицирующее действие на бетонную смесь и дает возможность на 5 — 6% уменьшить количество воды затворения, а соответственно и расход цемента при изготовлении бетона.

Комплексное использование методов ускорения твердения бетона дает наибольший технико-экономический эффект.

 

Автоклавная обработка бетона

Для изделий из ячеистых бетонов весьма эффективно запаривание в автоклаве (рисунок-5), осуществляемое насыщенным паром высокого давления (0,8 — 1,3 МПа) с температурой 175 — 193°С.

Рисунок-5. Схема испытания бетона на отрыв со скалыванием (вариант с разжимным конусом):

 

 

 

 

 

 

1 — бетон конструкции; 2 — вырываемый бетон; 3 — конус; 4 — рифленые щеки
Скорость большинства химических реакций, в том числе и взаимодействие цемента с водой, обеспечивающая твердение бетона, возрастает с повышением температуры, и тем она больше, чем выше температура. Кроме того, для твердения бетона необходима влажная среда. Сочетание этих двух факторов успешно достигается при обработке изделий паром высокого давления.

С повышением давления соответственно возрастает температура насыщенного пара; при 100 %-ной относительной влажности среды температуру выше 100°С получить нельзя. Сверх этой температуры относительная влажность среды будет меньше 100%, и помещенные в нее бетонные изделия начнут высыхать.

Наиболее распространенный режим автоклавной обработки: давление пара 0,8…1,5 МПа, температура насыщенного пара 170…200°С. При таком режиме получают изделия с проектной прочностью бетона в течение 8… 10 ч, что дает большой техникоэкономический эффект.

Важным достоинством автоклавной обработки бетона является следующее: при высокотемпературных условиях песок, будучи инертным при нормальной температуре и пропаривании, становится активным, энергично взаимодействует с известью и обеспечивает получение бетона прочностью 20 МПа и более. Это позволяет широко использовать дешевые бесцементные известково-песчаные бетоны для изготовления способом автоклавной обработки прочных, водостойких и долговечных изделий.

При использовании портландцементов обычно применяют медленно твердеющие цементы. Их преимущество в данном случае не только в несколько пониженной стоимости, но и в большом приросте прочности, получаемом при автоклавной обработке по сравнению с другими видами портландцементов. Кроме того, в автоклавных портландцементных бетонах часть цемента (до 30…40%) может быть успешно заменена молотым песком. При этом прочность бетона не только не снижается, но даже наблюдается улучшение физико-механических свойств бетона, что имеет большую технико-экономическую значимость.

Оборудование, применяемое для этой цели, не отличается от рассмотренного в гл. 8. Основным агрегатом при автоклавной обработке является автоклав. В технологии сборного железобетона автоклавы имеют ограниченное применение: существующие портландцемента обеспечивают получение изделий проектной прочности за то же время, что и в пропарочных камерах, имеющих несравнимо простое устройство и не требующих котельной высокого давления. Широко применяются автоклавы при производстве изделий из ячеистых бетонов.

Контактный обогрев изделий
Контактный обогрев изделий достигается путем непосредственного их контакта с нагревательными приборами, например обогреваемыми стенками формы, основанием стенда. При этом изделие плотно укрывают, чтобы предупредить потери испаряющейся из него влаги в окружающую среду. Необходимая влажность вокруг изделия достигается за счет избыточной воды, т. е. сверх потребной на твердение цемента, которая вводится для получения удобоукладываемой смеси.

В качестве теплоносителя применяют острый пар, горячую воду, нагретое масло. Наиболее эффективно использование контактного обогрева тонкостенных изделий при достаточной их герметизации. Это наблюдается, например, в кассетах, в которых изделие заключено в узких, но глубоких отсеках. В этом случае возможен очень быстрый подъем температуры до максимальной (за 15…30 мин) без нарушения структуры бетона.

Кроме того, образуется насыщенная паровая среда с несколько большим, чем атмосферное, давление пара, что благоприятно сказывается на процессах твердения бетона.

Температурная обработка в термобассейнах

Температурная обработка в термобассейнах применяется в том случае, когда требуется получить изделие высокой плотности и водонепроницаемости (трубы, кровельные материалы). Твердение в горячей воде — наиболее благоприятный в этом отношении режим. Предварительно отвердевшие изделия помещают в бассейн с горячей водой и выдерживают в нем до приобретения необходимой прочности.

Этот способ имеет хорошие технико-экономические показатели — низкий расход тепла обеспечивает наиболее благоприятные условия твердеющему бетону, но необходимость последующей сушки изделий является причиной практического отказа от обработки изделий в термобассейнах.