Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты интенсификации твердения бетонных изделий 7
1.1 Тепловлажностная обработка как способ структурообразования бетона 7
1.1.1. Общие положения 7
1.1.2. Особенности процесса гидратации цемента при тепло-влажностной обработке 7
1.1.3. Режимы тепловлажностной обработки 10
1.2. Свойства бетона после тепловлажностной обработки 17
1.2.1. Общие положения 17
1.2.2. Влияние тепловлажностной обработки на прочность бетона 18
1.2.3. Влияние тепловлажностной обработки на морозостойкость бетона 20
1.3. Современные технологии изготовления бетонных и железобетонных изделий 21
1.3.1 Общие положения 21
1.3.2. Формование изделий и конструкций 23
1.3.3. Уплотнение бетонной смеси 24
1.3.4. Интенсификация твердения конструкций и изделий 26
1.3.5. Повышение заводской готовности изделий 32
1.4. Теоретические основы нестационарного процесса теплопереноса в многослойной конструкции при ее тепловлажностной обработке 34
1.4.1. История возникновения и развития методов математического моделирования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях 34
1.4.2. Теплообменные характеристики теплопереноса 37
1.4.3. Критерии подобия и их физический смысл 41
1.5. Общая постановка задачи исследования 43
Глава 2. Моделирование процесса теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции при ее тепловлажностной обработке 46
2.1. Теплоперенос в слое конструкции 46
2.2. Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла в ограждающей конструкции при различных режимах тепловлажностной обработки 49
2.3 Аналитическое решение краевых задач для каждого из слоев 51
Глава 3. Численный эксперимент и его результаты 64
3.1. Алгоритм расчета процесса 64
3.2. Примеры расчета распределения тепла в трехслойной конструкции 66
Глава 4. Расчетно - экспериментальные исследования 82
4.1. Обследование существующей технологической цепочки на ОАО "Ивановская домостроительная компания" 82
4.1.1. Общие сведения о выпускаемой продукции 82
4.1.2. Описание устройства проходной пропарочной камеры . 83
4.1.3. Подготовительные этапы предшествующие тепловлаж-ностной обработке изделий в проходной пропарочной камере 89
4.1.4. Тепловлажностная обработка в проходных пропарочных камерах цеха №1 ОАО "Ивановская домостроительная компания" . 96
4.2. Методика постановки и проведения эксперимента 100
4.3. Сравнительный анализ результатов теоретических исследований существующего и экспериментального цикла тепловлажностной обработки 103
4.4. Методика контроля технологического процесса тепловлажностной обработки 105
4.4.1. Общие положения 105
4.4.2. Однократные планы контроля 108
4.4.3. Двухкратные планы выборочного контроля 108
4.4.4. Многократные планы контроля 110
4.4.5. Последовательные планы контроля 111
4.4.6. Взаимосвязь между долей брака в партии и уровнем настройки производственного процесса 112
4.4.7. Сравнение способов контроля по качественному и количественному признаку 112
4.4.8. Разработка стандарта предприятия 113
Заключение 115
Список литературы 117
Приложение 127
- Свойства бетона после тепловлажностной обработки
- Теоретические основы нестационарного процесса теплопереноса в многослойной конструкции при ее тепловлажностной обработке
- Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла в ограждающей конструкции при различных режимах тепловлажностной обработки
- Сравнительный анализ результатов теоретических исследований существующего и экспериментального цикла тепловлажностной обработки
Введение к работе
Актуальность работы. В возводимых современных зданиях стеновые ограждающие конструкции состоят из нескольких слоев строительных материалов, обладающих различными теплотехническими характеристиками.
Ограждающая конструкция содержит в своем составе эффективный утепляющий слой, к этому обязывают изменения №3 и №4 к СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника».
В современном строительстве, начиная со стадии проектирования, изготовления, при строительстве непосредственно, и в дальнейшем при эксплуатации зданий существует множество процессов, связанных с нестационарным теплопереносом. Методика теплотехнического расчета ограждающих конструкций СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника» остается неизменной вот уже более 20 лет и основана на стационарности процессов теп-лопереноса. Реальные процессы носят нестационарный характер. Учет нестационарности приближает математическую модель к реальным условиям изготовления и эксплуатации конструкции. Создание прозрачных, в физическом смысле и удобных в инженерном обращении, методов теплотехнического расчета существующих и проектируемых новых ограждающих конструкций с учетом влажностного состояния строительных материалов, составляющих конструкцию, и нестационарности процессов тепломассопереноса является насущной задачей.
Особое внимание следует уделять соблюдению технологии производства железобетонных конструкций заводского изготовления, подверженных тепловлажностной обработке, т.к. это впрямую влияет на качество выпускаемой продукции и ее эксплуатационные свойства.
Потребность в разработке новых методов расчета обуславливается и политикой Министерства промышленности и энергетики Российской Федерации, направленной на снижение эксплуатационных расходов по содержанию зданий, экономию энергоресурсов и создание высокоэффективных в теплотехническом отношении ограждающих конструкций. Наиболее важная роль здесь отводится экономической оценке теплозащитной способности ограждающих конструкций. В связи с этим, а также в целях увеличения сроков эксплуатации зданий и достижения теплового комфорта находящихся в них людей, в современном строительстве большое значение имеет правильный подбор сырья и материалов для возведения наружных ограждений.
В работе была поставлена цель: теоретическое и экспериментальное исследование процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий в проходных пропарочных камерах на примере цеха №1 ОАО "Ивановская домостроительная компания". Результатами исследования явились рекомендации по экономии материальных ресурсов и улучшению качества выпускаемой продукции.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана физико-математическая модель нестационарного теплопе-реноса для условий изготовления железобетонных конструкций и изделий в проходных пропарочных камерах;
- получены аналитические решения задачи теплопроводности при несимметричных граничных условиях для отдельного слоя конструкции с учетом теплового эффекта гидратации цемента;
- с помощью численных и аналитических методов получено решение краевой задачи теплопроводности для железобетонного перекрытия, изготавливаемого в условиях строительной площадки с применением термоактивной опалубки;
- получены новые качественные и количественные характеристики процессов, протекающих в конструкциях при их тепловлажностной обработке и в железобетонном перекрытии при использовании термоактивной опалубки, которые позволяют вести рациональное проектирование и изготовление таких конструкций;
- разработаны методики контроля за процессом тепловлажностной обработки железобетонных конструкций и изделий, изготавливаемых в заводских условиях, и за процессом твердения железобетонного перекрытия, изготавливаемого в условиях строительной площадки. Эти методики позволяют оптимизировать процесс тепловлажностной обработки и влиять на качество готовой продукции.
Предложенная модель дает возможность проектировщикам отказаться от долговременных и дорогостоящих испытаний строительных конструкций, рационально спроектировать конструкцию на персональном компьютере в соответствии с режимом ее эксплуатации, оптимально подобрать для нее материалы, исходя из теплотехнических и конструктивных требований, оценить состояние конструкции при стационарном режиме на основе данных нестационарного процесса. Были даны конкретные рекомендации по экономии энергозатрат и улучшению качества выпускаемой продукции.
На защиту выносятся:
- аналитические решения задач теплопереноса при несимметричных граничных условиях для отдельных слоев конструкции с учетом теплового эффекта гидратации цемента;
- физико-математическая модель процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий в проходных пропарочных камерах;
- физико-математическая модель процесса твердения бетонной смеси при использовании дополнительного источника тепла - термоактивной опалубки;
- результаты теоретических и натурных исследований при тепловлажностной обработке железобетонных стеновых панелей в проходных пропарочных камерах.
Практическое значение работы заключается в том, что в результате теоретических исследований и численного эксперимента получены решения краевых задач теплопереноса в плоских железобетонных изделиях при их те-пловлажностной обработке в проходных пропарочных камерах.
Впервые при решении такого класса задач учтен тепловой эффект, возникающий при гидратации цемента. Именно учет этого эффекта позволяет адекватно смоделировать ситуацию, просчитать ее параметры, что, в конечном итоге, приводит к экономии строительных материалов и энергоресурсов при производстве.
Реализация решения на ЭВМ позволяет рассмотреть широкий класс задач по рациональному проектированию конструкций зданий и сооружений, а также вести вариантное проектирование, оптимизировать процесс тепло-влажностной обработки и активно влиять на его параметры, а также вести работы исследовательского характера с целью оценки технического состояния конструкций.
Структура диссертации такова, что каждая последующая глава является логическим продолжением предыдущих. Постановка задачи исследования немыслима без анализа современных достижений науки и практики в данной области. Поэтому в первой главе диссертации приведен литературный обзор, включающий в себя следующие аспекты и проблемы:
- анализ и рассмотрение теоретических аспектов тепловлажностной обработки железобетонных изделий;
- влияние тепловлажностной обработки на основные характеристики бетона;
- любые предложения по совершенствованию технологии невозможны без анализа особенностей работы технологического оборудования, поэтому данные вопросы также рассмотрены в литературном обзоре.
- разработка математических моделей и базирующихся на них методах компьютерного расчета производится научными работниками и инженерами на протяжении всей истории тепловлажностной обработки. Поэтому в данной работе рассмотрены существующие в настоящее время подходы по физическому и математическому моделированию явлений тепломассопереноса при термической обработке изделий.
Работа выполнялась в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии в рамках программ "Жилище" и "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (подпрограммы 211.02 - "Строительные материалы, энергосберегающие и экономически безопасные технологии их производства" и 211.03 — "Строительные конструкции и совершенствование методов их расчета"), а также региональных программ строительства и архитектуры, под руководством члена-корреспондента РААСН, заслуженного деятеля науки Российской Федерации, лауреата премии Правительства России в области науки и техники, д. т. н., профессора Федосова Сергея Викторовича.
Свойства бетона после тепловлажностной обработки
Структура бетона не является постоянной и меняется как в результате физико-химических процессов твердения, так и воздействий внешней среды. Физико-механические свойства бетона определяются физической структурой бетона в целом.
Вследствие того, что основные составляющие бетона не испытывают значительных объемных изменений под воздействием температуры формирование структуры бетона происходит в благоприятных условиях. Температурные градиенты при этом возникают лишь за счет саморазогрева бетона в результате теплового эффекта реакций гидратации цемента. Но и в этом случае возможно возникновение напряженного состояния бетона, вызываемого усадочными явлениями в результате испарения воды затворения с поверхности бетона, контракционных изменений, напряжений в кристаллических сростках цементирующего вещества за счет процессов перекристаллизации и перехода метастабильных фаз в более стабильные.
Повышение температуры способствует ускорению конструктивных процессов твердения, что приводит к общему упрочению структуры. Но и повышение температуры приводит также к усилению деструктивных процессов, так как к происходящим контракционным явлениям добавляются температурно-влажностные деформации. По мнению ряда исследователей [50, 51, 52], на деформацию бетона при пропаривании влияет главным образом тепловое расширение составляющих бетон материалов в периоде нагрева и тем-пературно-влажностная усадка в периоде охлаждения. Совместным воздействием миграции влаги температурных перепадов в объеме изделий образуются дефекты структуры в период нагрева, которые фиксируются физико-химическими процессами твердения в период изотермической выдержки. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что ТВО являются одним из важнейших факторов, определяющих свойства затвердевщего бетона.
Прочность бетона после ТВО зависит от ряда факторов: вида цемента, водоцементного отношения, режима ТВО и др. Так же как и при нормальном твердении, основным фактором, определяющим величину абсолютной и относительной прочности бетона при ТВО, является водоцементное отношение. Чем ниже В/Ц, тем большую относительную прочность имеет бетон как сразу после ТВО, так и в 28-суточном возрасте по отношению к марочной.
На заводах сборного железобетона применяются бетонные смеси различной подвижности. Благодаря усовершенствованию вибрирования и созданию других эффективных методов уплотнения бетона в условиях заводского производства наиболее часто применяются бетонные смеси с относительно невысокими значениями водоцементного отношения (от 0,3 до 0,55) и жесткостью 20...60с.
По данным [35, 37] при пропаривании в открытых формах по режиму 2+8+2 ч. при 80С бетоны с жесткостью 100,.Л20с приобретали прочность, равную 65...82% от марочной; с жесткостью 40..,60с - 62...70%, а с осадкой конуса 7...8 см 56...65%. Аналогичная зависимость наблюдается и при других режимах. Таким образом, пропаривание бетонов из жестких смесей с малым водосодержанием и низким В/Ц гораздо эффективнее, чем подвижных.
Результаты опытов [37] показывают, что при пропаривании бетонов из жестких смесей (Ю0...240с) при 80С уже достаточен прогрев в течение 4 ч. Увеличение продолжительности этапа изотермической выдержки до 8 ч практически не повышает прочность бетона, от 8 до 12 ч - приводит к незначительному увеличению прочности жестких бетонных смесей и к несколько большему подвижных. Таким образом, применение для изготовления изделий бетонов с низким В/Ц способствует снижению продолжительности тепловой обработки, а, следовательно, снижению энергозатрат, увеличению оборачиваемости технологической линии (форм).
При пропаривании бетона при температуре 100С наблюдается та же зависимость эффективности пропаривания от жесткости смеси, что и при пропаривании при 80С. Однако характерной особенностью пропаривания при 100С является быстрое нарастание прочности в первые часы изотермического прогрева, после которого наблюдается некоторый спад прочности, сменяющийся новым периодом ее повышения.
В опытах [38] увеличение продолжительности изотермической выдержки при 100С с 4 до 6 ч приводило не к росту, а к понижению прочности Еще большее понижение прочности наблюдалось при восьмичасовой изотермической выдержке. При тепловой обработке при 100С наиболее целесообразно применение жестких бетонных смесей с низким В/Ц. Жесткие бетонные смеси при пропаривании обладают свойством не только интенсивно набирать прочность в первые часы тепловой обработки, но приобретают также большую относительную прочность.
Бетоны при одной и той же консистенции, но разном В/Ц и различной марке за один и тот же период тепловой обработки приобретают различную относительную прочность. Чем ниже В/Ц (выше марка), тем интенсивнее нарастание прочности бетона. В то же время на интенсивность твердения бетона при пропаривании оказывает консистенция бетонной смеси. Так, при одной и той же марочной прочности жесткие бетонные смеси за один и тот же период ТВ О обеспечивают несколько большую относительную прочность бетона, чем пластичные. Однако решающее влияние на скорость твердения бетона оказывает В/Ц; удобоукладываемость влияет в меньшей степени. Более низкую скорость твердения при одинаковом В/Ц имеют лишь бетоны весьма высокой подвижности.
Установлено, что независимо от состава цемента и бетона прочность бетона при пропаривании увеличивается лишь до определенного времени [44, 49, 53, 54]. При этом интенсивность нарастания прочности не пропорциональна продолжительности ТВО при максимально принятой температуре. Так, в период подъема температуры и в первые часы изотермического прогрева прочность бетона нарастает интенсивно, затем рост ее замедляется, а после определенного периода начинает даже уменьшаться по сравнению со значением, полученным при более коротком режиме тепловой обработки. Л.А. Малинина [36] выделяет три основных периода роста прочности при тепловлажностной обработке: 1. незначительного роста прочности; 2. быстрого роста прочности; 3. медленного роста прочности с периодическим ее снижением. В первом периоде в первые 2...3 ч. тепловой обработки прочность бетона увеличивается незначительно и соответствует индукционному периоду гидратации цемента. Второй период начинается в начале изотермической выдержки и продолжается в течение 4...7 ч. В это время происходит непрерывный рост прочности, и значение ее достигает 50...70% от марочной. При дальнейшем увеличении длительности изотермической выдержки сверх 6... 10 ч. наступает третий период, интенсивность роста прочности падает и наблюдается устойчивое чередование периодов повышения и снижения прочности с незначительной тенденцией к ее увеличению. ТВО оказывает существенное влияние на конечную прочность бетона. Следует отметить что, такие факторы как: длительность предварительной выдержки, водоцементное отношение, жесткость бетонной смеси, вид цемента должны всегда учитываться при назначении режима тепловой обработки.
Теоретические основы нестационарного процесса теплопереноса в многослойной конструкции при ее тепловлажностной обработке
Одна из важнейших задач поставленная перед современной наукой это изучение процессов переноса тепла и вещества. Лидирующее положение в развитии учения о теплопереносе занимают российские исследователи.
Теория переноса тепла поглощенного капиллярно - пористыми коллоидными телами, сначала создавалась и разрабатывалась как часть агрофизики применительно к почвам и грунтам. Исключительно большая роль принадлежит здесь известному русскому ученому В. В. Докучаеву [69] и его ученикам - А. А, Измаильскому [70] и П. С. Коссовичу [71]. Им удалось заложить основы теории связывания поглощаемой влаги с веществом скелета коллоидного пористого тела. Академиком М.В Кирпичевым [72] и профессором А.А. Гухманом [73] была разработана теория теплового подобия, на базе которой созданы методы моделирования тепловых процессов.
Характерной особенностью современной теплофизики является ее неразрывная связь с техникой, с технологическими процессами производства. Большое практическое значение процессы теплообмена имеют в технологических процессах химической и легкой промышленности, реактивной и ракетной технике, промышленной и атомной энергетике, а также производстве строительных материалов, изделий и конструкций. Трудами советских теплофизиков И.М.Федорова [74, 75], Я.М.Миниовича [76], Ю.Л. Кавказова [77] и других создана новая отрасль теплотехники - сушильная техника, которая быстро развивается во всех отраслях промышленности.
Зарождение строительной теплофизики как науки следует отнести к 20-м годам двадцатого века. Уместно будет перечислить имена ученых, которые внесли весомый вклад в развитие нового направления в строительной науке. Книга профессора В.Д. Мачинского "Теплотехнические основы гражданского строительства", вышедшая в 1925 г., была первой работой в данной области. Ему же принадлежит ряд других работ, вышедших позднее [78-81]. Большое влияние на развитие строительной теплофизики оказали также работы профессора О. Е. Власова [82-84], особенно его труд по теплоустойчивости ограждающих конструкций и исследования влажностного режима. Кроме них, у истоков науки стояли инженеры-строители и строители-теплотехники К.Ф.Фокин [85-90], А.С.Эпштейн [91, 92], Р.Е.Брилинг [93, 94] занимавшийся вопросами воздухопроницания ограждений, а также миграции влаги в строительных материалах, А.М.Шкловер [95, 96] разработавший метод расчета затухания температурных колебаний в ограждении и колебаний температуры воздуха в здании, Ф.В.Ушков [97], А.У.Франчук [98-102], В.М.Ильинский [103, 104] и другие ученые.
Строительную теплофизику стали разделять на две тесно взаимосвязанные части: создание микроклимата в помещении за счет систем кондиционирования и разработка эффективных ограждающих конструкций.
Методы температурного расчета ограждающих конструкций, основанные на разработках апологетов строительной теплофизики А.В.Лыкова [105, 106] и В.Н.Богословского [107-112], выделяют в отдельную группу. Эти ученые и их последователи в 40-50-хх годах резко продвинули строительную теплофизику, их работы позволили математически смоделировать процессы, протекающие в ограждении при различных режимах эксплуатации здания.
Основным недостатком методики теплотехнического расчета ограждающей конструкции по СНиП, которая остается практически неизменной вот уже на протяжении более двадцати лет, является то, что она предусматривает стационарность процессов теплопереноса, а это лишь приблизительно оценивает состояние ограждения, так как реально протекающие процессы носят нестационарный характер.
Система дифференциальных уравнений переноса вместе с начальными и граничными условиями является математической моделью реального процесса. Решение этой системы позволяет получить полную картину распределения тепла и влаги в теле с течением времени и дать анализ кинетики и динамики процессов. С этой точки зрения аналитическое решение, как самое точное, не может сравниться с эмпирическими методами. Остановимся подробнее на основных аналитических методах решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Первоначально для решения уравнений теплопроводности использовались лишь классические методы: метод разделения переменных, метод источников, методы, основанные на применении функций Грина, Дирака и другие. Более детально эти методы описаны в работе А.Н. Тихонова и А.А. Самарского [113].
Но классические методы не всегда эффективны для решения практических задач. Поэтому в 50-х годах, под влиянием запросов техники для изучения явлений переноса тепла стали широко применяться операционные методы. Основные правила и теоремы операционного исчисления были получены профессором М.Е. Ващенко-Захарченко [114] и независимо от него О. Хеви-сайдом [115, 116]. Строгое математическое обоснование операционные методы получили в работах A.M. Эфроса и A.M. Данилевского [117], В.А. Дитки-на[118, 119],Г.Детча[120].
Если при заданных условиях (а они имеют место в реальной жизни) коэффициент внутреннего и внешнего переноса теплоты существенно не меняет в течение временных рамок процесса, что позволяет говорить о его постоянстве в определенном промежутке времени и вынести его за знаки математических операторов, то нелинейная краевая задача теплопереноса становится линейной. Для решения линейных краевых задач теплопереноса используют следующие известные методы: интегральных преобразований в конечных и бесконечных пределах: методы Лапласа, Лапласа - Карсона, Фурье, Ханкеля; классические: метод разделения переменных (метод Фурье), метод функций источников (функций Грина).
Для решения нелинейных задач в свою очередь применяют вариационные и численные методы. На практике часто используются такие инженерные методы решения задач нестационарной теплопередачи как методы конечных разностей, методы экспериментальных аналогий и др. Описание наиболее распространенных методов можно найти в работах [121-126].
Решить задачу теплопереноса в случае твердого тела позволяют следующие методы: проекционные: метод коллокаций, метод Бубнова - Галеркина, метод моментов, метод интегрального теплового баланса; линеаризации: метод последовательных приближений, методы алгебраических или интегральных подстановок, метод возмущений или метод малого параметра; вариационные: Канторовича, Ритца, Лейбензона, Био; сведение краевой задачи к уравнениям и задачам других типов, например, метод сведения краевой задачи в частных производных к задаче, описываемой обыкновенными дифференциальными уравнениями.
Для определенных типов задач нужно подбирать наиболее эффективный метод, например, метод разделения переменных с успехом применяется для описания процессов нестационарного переноса в телах с неравномерными начальными распределениями температур и линейными граничными условиями. Но следует помнить о недостатках используемых методов. Так, метод разделения переменных позволяет получить достаточно точное решение лишь при больших значениях Fo, если же Fo 0,l9 то точность решения снижается, поскольку ухудшается сходимость ряда, В случае, когда тело имеет переменные теплофизические свойства для решения краевых задач теплопроводности обычно используют вариационные и численные методы, однако с уменьшением числа Фурье точность решения также уменьшается.
В связи с бурным развитием вычислительной техники все большее применение получают численные методы, основанные на решении дифференциальных уравнений в частных производных с помощью ЭВМ. При рассмотрении систем дифференциальных уравнений с весьма общими краевыми условиями точные методы решения наталкиваются на большие трудности, которые становятся непреодолимыми при решении нелинейных задач. В этих случаях приходится обращаться к численным методам решения. Наиболее распространенным методом приближенного решения уравнений теплопереноса является метод конечных разностей (метод сеток).
Физико-математическая постановка задачи о нестационарном переносе тепла в ограждающей конструкции при различных режимах тепловлажностной обработки
Многочисленные исследования [1-25] посвящены изучению структуры и состава новообразований, возникающих при твердении цементов. Однако многие физико-химические процессы, обуславливающие схватывание и твердение цемента, еще недостаточно изучены. Это объясняется тем, что при твердении цемента возникает чрезвычайно сложная система новообразований.
Существует несколько основных теорий о механизме гидратации и фазового состава новообразований, которые могут меняться в процессе взаимодействия цемента с водой. Современные представления о механизме образования и твердения цементного камня возникли на основе общей теории твердения вяжущих веществ, предложенной А.А. Байковым, который объединил
кристаллизационную теорию Ле-Шателье и коллоидную теорию И. Миха-элиса, а также исследования в этой области [26-31], Продукты гидратации, по А.А. Байкову, должны выделяться в виде очень раздробленной системы в результате прямого присоединения воды к зернам вяжущего. Эти представления о механизме твердения получили название топохимических [32, 33].
Кандо и Даймон [137] приводят данные, свидетельствующие о появлении при гидратации трехкальциевого силиката двух видов гидросиликатов: «внешнего», образующегося через раствор, и «внутреннего», возникающего топохимически. При наблюдении в сканирующем электронном микроскопе эти гидросиликаты имеют разную структуру: «внешнюю» - вид рыхлой фольги и волокон, «внутреннюю» - более тонкокристаллическую структуру.
Процесс гидратации вяжущего и развития структуры твердения сводится к растворению в воде первичной твердой дисперсной фазы твердого вещества с образованием раствора, пересыщенного по отношению к кристаллам гидратного новообразования и к выкристаллизовыванию из этого раствора новой фазы кристаллического гидрата с образованием пространственной структуры твердения, то есть искусственного камня [34]. При этом сначала возникает каркас, а затем он обрастает частицами гидрата.
Н. Штейн и X. Стевенс [138] установили, что сразу после затворения водой на поверхности минерала образуется пленка высокоосновного гидросиликата кальция (Сз8Нх), который не виден даже в электронный микроскоп. Такой гидросиликат последовательно превращается сначала в CSH(B), а затем в C2SH2. Это подтвердили С. Брунауэр и Д. Кантро [139], а также Дж. Калоузек [140], придя к выводу о наличии трех стадий гидратации.
Первичным продуктом гидратации основного минерала клинкера -алита является гидрат, богатый известью - Сз8Нх, который затем переходит в менее основный гидросиликат C-S-H. Предложен следующий механизм гидратации этого минерала:
Первичный гидрат образует непроницаемый для воды в течение 2 - 6ч пограничный слой. Это время соответствует индукционному периоду гидратации.
Вышеперечисленные исследователи установили, что в зависимости от В/Ц меняется основность гидросиликата кальция.
Большой вклад в решение вопроса о составе продуктов и степени гидратации цемента, твердеющего при повышенных температурах 50-100С ТВО внесли Ю.М. Бутт, ПЛ Будников, Т.М. Беркович, И.В. Кравченко, М.М. Маянц, Ю.С. Малинин, С.А. Миронов, В.Н. Тимашев, X. Тейлор, Дж. Калоузек, Р. Нерс и многие другие. Им не удалось обнаружить существенной разницы между составом продуктов гидратации, образующихся при нормальном твердении и пропаривании. Было установлено, что скорость хими ческой реакции ускоряется лишь по мере повышения температуры, при температуре до 80С в 6 раз и при 100С в 10 раз по сравнению со скоростью гидратации при 20С.
Обстоятельно изучали гидратацию при пропаривании П. П. Будников, С. М. Рояк, Ю. С- Малинин и М. М. Маянц [141]. Было показано, что при различных режимах ТВО в интервале 50 - 90С образуются гидросиликатные фазы с основностью 1,7—2, Причем, при 50С была обнаружена нестабильная фаза с повышенным отношением C/S, прочность которой меньше, чем других гидросиликатных фаз. В целом же, с повышением температуры твердения основность гидросиликатов кальция по данным, приведенным в работе [141], уменьшилась.
В этих исследованиях при гидратации при температурах 50 - 100С не были обнаружены низкоосновные гидросиликаты кальция группы CSH(B), о которых писали А. Грудемо и X, Тейлор [141,142]. По мнению Г. Идорна [143], гели гидросиликата кальция, образовавшиеся при 50 - 100С, характеризуются более высоким отношением C/S и содержат больше ионов алюминия, железа и серы.
Ю. М. Бутт, В. В. Колбасов и В. Н. Тимашев [144] подчеркивают, что, хотя образование того или иного гидросиликата кальция при гидратации C3S и C2S зависит от температуры, определяющей растворимость вяжущего, степень пересыщения жидкой фазы, характер твердофазных процессов и т. д., изменение фазового состава гидросиликатов кальция в интервале 20 - 100С (выражающееся в изменении основности гидросиликатов кальция) незначительно и само по себе не может быть причиной существенного изменения их структуры. Весьма интересные данные приводит И. Одлер [145]. По его мнению, на основность гидросиликатов кальция влияет лишь степень гидратации алита, она не зависит от температуры твердения (в интервале от 5 до 50 С).
По данным О.М. Астреевой [4] процесс гидратации и возникновения структуры может быть построен по следующей схеме. При контакте с водой вяжущее вещество растворяется и образуется пересыщенный (по отношению к гидрату) раствор. В пересыщенном растворе выделяются зародыши гидрата. Растущие кристаллики гидрата сближаются и соединяются, образуя кам-невидную структуру. Учитывая это, процесс твердения разделяют на элементарные стадии: растворение исходного вещества, образование зародышей новой фазы (гидрата), рост кристаллов гидрата, образование коллоидной и кристаллизационной структур.
По данным И.Н. Ахвердова [8], конечные физико-технические свойства цементного камня обуславливаются коагуляционным структурообразова-нием. Первая стадия процесса связана с уменьшением количества свободной воды, увеличением концентрации раствора электролита до начала схватывания с последующим уменьшением ее по экспоненте. Одновременно происходит интенсивный процесс перераспределения воды и связывания ее твердой фазой до тех пор, пока она полностью не вступит в адсорбционную связь.
Сравнительный анализ результатов теоретических исследований существующего и экспериментального цикла тепловлажностной обработки
Возникающий температурный градиент приводит к возникновению температурных напряжений, так как наружные более нагретые слои увеличиваются в объеме больше внутренних. Влияние температурных градиентов во время разогрева особенно велико (так как структура бетона еще не сформировалась, а прочность его невелика) и проявляется в микронарушениях сплошности структуры цементного камня и на границе его контакта с заполнителями [19, 41]. На этом этапе, особенно при быстром нагреве бетона, могут возникнуть значительные напряжения, в результате которых образуются трещины, а также происходит нарушение контактов между цементным камнем и заполнителем.
В результате температурного расширения во время ТВО бетон увеличивается в объеме. Он представляет собой конгломерат, состоящий из различных материалов: цемента, воды, крупного и мелкого заполнителей, имеющих свой коэффициент температурного расширения. Из всех компонентов бетона вода имеет наибольший коэффициент температурного расширения, расширяющаяся в сотни раз больше, чем твердый скелет. В бетоне также обычно содержится 2...4% воздуха, вовлеченного в процессе его приготовления и укладки.
Если бы бетон представлял собой механическую смесь не связанных между собой материалов, то величина расширения при нагревании была бы равна сумме произведений объема каждого материала на его коэффициент температурного расширения, а при охлаждении объем смеси возвращался бы к исходной величине. Однако после пропаривания бетоны имеют склонность к остаточному расширению, т.к. при ТВО в бетоне происходят сложные физико-химические процессы твердения, в результате которых образуется искусственный камень. При быстром разогреве свежеотформованного бетона физический процесс температурного расширения будет опережать химический процесс твердения [4, 42, 43], а при медленном подъеме температуры складываются более благоприятные условия для формирования структуры: бетон успевает приобрести определенную прочность до достижения им значительного температурного расширения [26, 44].
В твердеющем бетоне миграция влаги способствует образованию сообщающейся пористости и появлению внутренних избыточных давлений. Мигрирующие в бетоне между глубинными и поверхностными слоями жидкость и воздух соединяют между собой поры и пустоты, увеличивают эффективный радиус капилляров, разрушают еще неокрепшие связи в местах контакта сращивающихся кристаллических сростков, создают направленную (перпендикулярно поверхности изделий) пористость. Согласно результатом исследований А.Е. Шейкина [19, 20], ТВО понижает плотность цементного камня по сравнению с нормально-влажным твердением, а по данным Л.А. Малининой [38] пропаривание увеличивает проницаемость бетона в 3...4 раза по сравнению с нормально-влажным твердением. И.Н. Ахвердовым [8] было показано, что минимальная пористость для портландцемента достигается после 6-часового пропаривания, а для пуццоланового портландцемента - после 8-часового пропаривания при 95 С.
Следует особо отметить отрицательную роль воздуха в бетоне при формировании его структуры во время тепловой обработки. Поры внутри бетона вследствие расширения в них воздуха стремятся раздвинуть частицы бетона и занять больший объем. Однако это возможно лишь если бетон пропаривался без предварительной выдержки, еще не приобрел структурной прочности и ТВО его происходила без фиксации первоначального размера жесткой металлической формой, а давление, образовавшееся в поре, достаточно для того, чтобы раздвинуть окружающие ее слои бетона [45, 46].
Если же бетон твердеет в форме, жестко фиксирующей его объем, или же сам по себе имеет достаточную структурную прочность, то при нагревании его составляющие будут стремиться занять объем воздушных пор или препятствовать их температурному расширению. Вследствие этого парциальное давление паровоздушной смеси в порах будет значительно повышаться, и превышать парциальное давление среды камеры.
Образовавшиеся воздушные поры, в зависимости от их расположения по сечению изделия, будут находиться в различных условиях вследствие разницы гравитационных воздействий окружающих слоев бетона. При этом наименьшие усилия нужны для раздвижки и разрыхления верхних слоев бетона, не ограниченных формой. Вследствие этого пористость бетона, подвергнутого пропариванию, по сечению изделия будет различной в зависимости от толщины изделия.
Движение находящегося в бетоне воздуха под действием тепла осуществляется в основном вверх, к открытой поверхности изделия и наименьшего по высоте сечения, что приводит к деформированию и расслоению верхних слоев бетона. Но процесс наблюдается, в основном, при пропаривании све-жеотформованных изделий без форм при режимах с быстрым подъемом температуры. При пропаривании изделия в открытой форме воздух стремится выйти наружу и деформирует лишь открытую поверхность. Если же форма закрыта со всех сторон, а ее жесткость и создаваемое внешнее обжатие достаточно, то явных структурных нарушений бетона не наблюдается.
Из вышесказанного следует, что на стадии повышения температуры создаются благоприятные условия для химических реакций, так как при повышенной температуре в бетоне полностью сохраняется количество воды за-творения. Однако этот этап неблагоприятен для формирования физической структуры вследствие явлений, приводящих к образованию в ней различного рода дефектов. От правильного выбора длительности периода подъема температуры зависит эффективность последующего твердения бетона.
После повышения в камере температуры до заданного максимума форму с изделием перемещают в зону изотермического прогрева, тогда изделие подвергают ТВО при заданной постоянной температуре. В течение этого этапа окончательно фиксируются все те дефекты структуры, которые приобрел бетон в период нагрева.
Однако, температурное равновесие в этот период может нарушаться вследствие теплового эффекта реакции гидратации цемента. В это время происходит отдача тепла от изделия в окружающую среду и испарение воды. Исследования изменения влажностного состояния и температуры изделия при ТВО проводились Н.Б. Марьямовым. На их основе Н.Б. Марьямов [47] сделал вывод, что в течение небольшого промежутка времени вследствие теплового эффекта реакции гидратации цемента температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру среды на 6...8С.
Ускорение процесса гидратации цемента путем повышения температуры твердения обусловливает ускорение тепловыделения. Однако это превышение будет незначительным, так как доля цементного теста в бетоне составляет всего 10..,20% и гидратационное тепло будет расходоваться на подогрев заполнителей, цемента и воды бетона. Кроме того, известно, что тепловой эффект реакции гидратации цемента зависит от его минералогического состава и тонкости помола. Поэтому при применении низкоэкзотермичных портландцементов или смешанных цементов и тощих бетонов, приготовленных на их основе, температура бетона при пропаривании будет равна температуре среды камеры или же превысит ее на незначительную величину. В случае применения высокомарочных быстротвердеющих цементов при значительном их расходе на 1 м бетона, быстром подъеме температуры среды камеры и высоком ее значении температура в изделии будет выше, и поэтому будет происходить высушивание бетона, что нежелательно. При тепловой обработке бетона особенно опасно превысить температуру кипения воды, так как в этом случае возможно возникновение больших внутренних напряжений в тот период, когда еще не произошло окончательное формирование структуры бетона.
