Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса тепловлажностной обработки бетонов 9
1.1. Структурообразование бетона в процессе тепловлажностной обработки 9
1.1.1. Общие положения 9
1.1.2. Физико-химические процессы гидратации цемента при тепловлажностной обработке 9
1.1.3. Влияние режима тепловой обработки на процессы структурообразования бетона 11
1.2. Влияние тепловлажностной обработки на эксплуатационные свойства бетона 24
1.2.1. Общие положения 24
1.2.2. Влияние тепловлажностной обработки на прочность бетона 25
1.2.3. Влияние тепловлажностной обработки на морозостойкость бетона 29
1.3. Аппаратурное оформление процесса ТВО бетона 31
1.3.1. Классификация установок для ТВО бетона 31
1.3.2. Тепловые агрегаты периодического действия 32
1.3.2.1. Ямные пропарочные камеры 32
1.3.2.2. Кассетные установки 33
1.3.3. Установки непрерывного действия 35
1.3.3.1. Туннельные и щелевые пропарочные камеры 35
1.3.3.2. Вертикальные пропарочные камеры 36
1.4. Постановка задач исследования 37
Глава 2. Материалы, оборудование и методы исследований 39
2.1. Характеристика используемых материалов 39
2.1.1. Портландцемент 39
2.1.2. Мелкий заполнитель 40
2.1.3. Вода 41
2.2. Характеристика используемого оборудования 42
2.3. Методы исследований 43
2.3.1. Исследование динамики полей температур в бетоне 43
2.3.2. Физико-химические методы исследований 45
2.3.2.1. Рентгенофазовый анализ 45
2.3.2.2. Определение микродефектов структуры бетона методом оптической микроскопии 46
2.3.2.3. Определение содержания гидроксида кальция в бетоне 46
2.3.3. Определение строительно-технических свойств бетонов 48
2.3.3.1. Определение плотности бетона 48
2.3.3.2. Определение прочности бетона при сжатии 49
2.3.3.3. Определение прочности бетона при изгибе 50
2.3.3.4. Определение деформативных свойств бетона 50
2.3.3.5. Определение водопоглощения 50
2.3.3.6. Определение пористости 51
2.3.3.7. Определение морозостойкости 52
Глава 3. Разработка физико-математической модели процесса тепловлажностной обработки бетона 54
3.1. Общие положения 54
3.2. Расчет параметров паровоздушной смеси 55
3.3. Внешний тепло- и массообмен при ТВО бетона 58
3.3.1. Внешний тепло- и массообмен в период нагрева 59
3.3.2. Определение температуры поверхности бетона в период нагрева 61
3.3.3. Внешний тепло- и массообмен в периодизотермической выдержки 63
3.3.4. Внешний тепло- и массообмен в период охлаждения 64
3.4. Внутренний тепло- и массообмен при тепловлажностной обработке бетона 65
3.4.1. Внутренний тепло- и массообмен в период нагрева 65
3.4.2. Внутренний тепло- и массообмен в период изотермической выдержки 72
3.4.3. Внутренний тепло- и массообмен в период охлаждения 74
Глава 4. Исследование влияния теплообменных процессов при ТВО бетона на его структуру и свойства 76
4.1. Общие положения 76
4.2. Микродефекты структуры бетона в процессе ТВО 80
4.3. Влияние ТВО на эксплуатационные свойства бетона 87
Выводы 92
Глава 5. Исследование физико-химических процессов, протекающих в бетоне при тепловлажностной обработке 93
5.1. Общие положения 93
5.2. Изменение концентрации гидроксида кальция в бетоне под воздействием повышенных температур 96
5.3. Влияние концентрации гидроксида кальция на свойства бетона 99
5.4. Влияние физико-химических процессов при ТВО
на эксплуатационные свойства бетона 103
Выводы 108
Заключение 109
Библиографический список 111
Приложения 127
- Влияние режима тепловой обработки на процессы структурообразования бетона
- Определение содержания гидроксида кальция в бетоне
- Внутренний тепло- и массообмен в период нагрева
- Микродефекты структуры бетона в процессе ТВО
Введение к работе
Актуальность проблемы. Последние десятилетия двадцатого века ознаменовались значительными достижениями в теории бетона и изделий на его основе. И хотя исследованию свойств бетонов посвящено множество работ как отечественных, так и зарубежных исследователей, непрерывно возрастают требования к физико-техническим свойствам бетонов, вызывая необходимость создания их новых образцов с комплексом улучшенных показателей, остаются вопросы, требующие дополнительного изучения.
Одним из них является установление влияния тепловлажностной обработки (ТВО) на структуру и эксплуатационные свойства бетона. Эта технологическая стадия в современных условиях является эффективным средством ускорения производства, широко применяется в мировой промышленности строительных материалов. Она во многом предопределяет конечные физико-технических свойства бетона, и применение определенных режимов влажно-стного и теплового воздействия на твердеющую систему позволяет в той или иной степени управлять процессом структурообразования.
Интенсивность процесса тепловлажностной обработки в среде насыщенного водяного пара зависит в первую очередь от условий внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса, так как эти факторы являются причиной возникновения объемных изменений в материале и связанных с ними внутренних напряжений, а также скорости и равномерности формирования структуры бетона [12, 33, 45, 60, 100, 156, 185]. Кроме того, они же определяют общую направленность и особенности физико-химических процессов в материале [28, 41, 52, 77, 94, 124, 161]. Таким образом, изучение влияния тепломассообменных процессов на структурообразование и эксплуатационные свойства бетона является актуальной задачей строительного материаловедения.
Бетон - композиционный материал, свойства которого зависят от множества факторов. Эта сложная система находится в состоянии неустойчивого равновесия, и в ней происходят непрерывные изменения [2-4, 31-34, 45, 113, 160-164, 168]. При действии воды, растворяющей какой-либо элемент, равновесие на данном участке нарушается и вся система претерпевает изменения, переходя в новое равновесное состояние, соответствующее новым условиям
[10, 26, 47]. Следовательно, эксплуатационные свойства материала в значительной степени с одной стороны определяются содержанием гидроксида кальция, а с другой - фазовый состав бетона обусловливается параметрами ТВО. Таким образом, изучение процессов структурообразования и физико-химических процессов, протекающих при тепловлажностной обработке, являются основой получения высококачественных материалов, обладающих повышенной стойкостью к воздействию жидких сред.
Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР Министерства образования РФ: МНТП «Архитектура и строительство» по теме «Создание высококачественных мелкозернистых бетонов с заданными свойствами на основе экономичных материалов» (шифр темы по программе - 02.01.195); гранта по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук «Теоретические основы применения плазменной технологии для обработки композитов и их компонентов для декоративной, антикоррозионной отделки и управляемого изменения основных свойств» (№ ГР 01.2.00 104410).
Цель диссертационной работы - установить влияние режимов тепловлажностной обработки на кинетику структурообразования и эксплуатационные свойства бетона.
Исходя из указанной цели, основными задачами диссертационной работы являлись:
исследование влияния режимов тепловлажностной обработки на эволюцию и особенности структурообразования с целью регулирования процессов ускоренного твердения и обеспечения высоких эксплуатационных свойств бетона;
изучение зависимости водо-, морозо- и коррозионной стойкости бетона от кинетики физико-химических процессов, протекающих при его тепловой обработке, а также теплового эффекта реакций гидратации цемента;
разработка физико-математической модели процесса тепловлажностной обработки бетона с учетом источника теплоты, обусловленного реакциями гидратации цемента, позволяющей производить расчеты полей температур в обрабатываемых изделиях; а, следовательно, и проводить необходимую оценку влияния полей температур на процессы структурообразования бетона.
Теоретической и методологической основой исследований являлись разработки ученых в области основ строительного материаловедения, химии цемента, современного бетоноведения: Баженова Ю.М., Бутта Ю.М., Волосяна Л.Я., Горчакова Г.И., Дмитровича А.Д., Заседателева И.Б., Кронгауза С.Д., Малининой Л.А., Миронова С.А., Мчедлова-Петросяна О.П., Петрова-Денисова В.Г., Скрамтаева Б.Г., Шестоперова СВ., Шейкина А.Е., Ушерова-Маршака А.В. Также использованы теоретические разработки ученых в области тепло- и массообмена: Лыкова А.В., Рудобашты СП., Федосова СВ., Фролова В.Ф. Информационная база - научные труды, материалы научно-технических конференций, статьи в научных сборниках и периодических изданиях по исследуемой проблеме.
При проведении исследований использовались микроскопический анализ, рентгенофазовый анализ методы планирования экспериментов, регрессионный, корреляционный методы анализа и статистической обработки данных с применением ЭВМ.
Научная новизна работы:
1. исследовано влияние скорости подъема температуры на эволюцию и
особенности структурообразования бетона, а также воздействие этого процесса в отношении изменения физико-технических свойств материала;
установлено, что увеличение температуры и продолжительности изотермической выдержки обусловливают снижение показателей водо-, мо-розо- и коррозионной стойкости вследствие повышения содержания гид-роксида кальция в бетоне;
разработана физико-математическая модель процесса тепловлажностной обработки бетона с учетом действия внутреннего источника теплоты вследствие реакций гидратации цемента.
Практическая значимость работы заключается в повышении стойкости бетона к действию жидких сред путем регулирования свойств на стадии тепловлажностной обработки. С учетом разработанных рекомендаций по корректированию режимов ТВ О ЗАО «Железобетон» (г. Иваново) изготовлена опытно-промышленная партия железобетонных изделий (прил.З).
8 На защиту выносятся:
экспериментальные закономерности, отражающие влияние скорости подъема температуры теплоносителя на особенности образования поровой структуры бетона;
режимы тепловлажностной обработки, позволяющие управлять процессами структурообразования бетона и получать материал с комплексом улучшенных показателей водо-, морозо- и коррозионной стойкости;
физико-математическая модель процессов тепломассопереноса при тепловлажностной обработке бетона с учетом кинетики тепловыделения цемента в процессе реакций гидратации.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях и семинарах: II международной конференции - школе - семинаре молодых ученых, аспирантов и докторантов «Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века» (Белгород, 1999); VI академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Иваново, 2000); VII и VIII международных научно-технических конференциях «Информационная среда вуза» (Иваново, 2000, 2001); X и XI Российско-Польских семинарах «Теоретические основы строительства» (Варшава-Москва, 2001,2002).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы. Диссертация содержит 130 страниц текста, 31 рисунок, 14 таблиц и библиографический список, включающий 195 наименований отечественных и зарубежных источников. Работа выполнена на кафедре Строительного материаловедения и специальных технологий Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.
10 вающие схватывание и твердение цемента, еще недостаточно изучены, что объясняется возникновением чрезвычайно сложной системы новообразований.
Как известно, имеется несколько основных теорий о механизме образования новых соединений и твердения вяжущих веществ при их взаимодействии с водой. Современные представления о механизме образования и твердения цементного камня возникли на основе общей теории твердения вяжущих веществ, предложенной Байковым А.А. [15, 16], который объединил кристаллизационную теорию Ле-Шателье и коллоидную теорию Михаэлиса И., а также новые исследования в этой области [75-80]. Продукты гидратации должны выделяться, по Байкову А.А., в виде очень раздробленной системы в результате прямого присоединения воды к зернам вяжущего.
Процесс гидратации вяжущего и развития структуры сводится к растворению в воде дисперсной фазы твердого вещества с образованием раствора, пересыщенного по отношению к гидратным новообразованиям. На второй стадии твердения происходит кристаллизация из этого раствора новой фазы с образованием пространственной структуры твердения, то есть искусственного камня [112, 165-168].
По мнению Астреевой О.М. [4] процесс гидратации и возникновения структуры может быть построен по следующей схеме. При соприкосновении с водой вяжущее вещество растворяется и образуется пересыщенный раствор, в котором возникают зародыши кристаллов. Растущие кристаллы сближаются и соединяются, образуя камневидную структуру. Учитывая это, процесс твердения разделяют на элементарные стадии: растворение исходного вещества, образование зародышей новой фазы, рост кристаллов новообразований, образование коллоидной и кристаллизационной структур.
По Ахвердову И.Н. [8], конечные физико-технические свойства цементного камня обусловливаются коагуляционным структурообразованием. 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. С этого времени начинается процесс кристаллизационного структурообразова-ния цементного камня. Происходит интенсивное уменьшение количества свободных молекул в пересыщенном растворе (геле) из-за возникновения центров кристаллизации, обусловливающих формирование субмикрокристаллической структуры вокруг непрогидратированных зерен цемента. Одновременно с этим образуются новые связи, что ведет к росту интегральной прочности бетона с течением времени.
Однако, по мнению ряда исследователей [39, 42, 53] прочность искусственного камня определяется не столько прочностью отдельных кристаллов возникающих новообразований, сколько прочностью и характером образующегося из них сростка, а также капиллярно-пористой структурой формирующегося камня в целом. Таким образом, при выборе режима тепловой обработки следует исходить не только из необходимости в ускорении процессов гидратации, но и учесть его влияние на формирование структуры материала.
1.1.3. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВ АНИЯ БЕТОНА
Общеизвестно, что цикл тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий включает следующие периоды:
подъем температуры в камере до принятого наивысшего уровня;
изотермический прогрев изделий в камере при наивысшей принятой температуре;
охлаждение изделий.
При этом тепловой обработке предшествует предварительное выдерживание свежеотформованных изделий при температуре окружающей среды. Длительность отдельных периодов может быть различной. Так, на-
12 пример, время предварительного выдерживания может составлять от нескольких минут до нескольких часов и даже суток [28]. Время подъема температуры, изотермической выдержки и охлаждения также может колебаться в больших пределах. Например, при вибропрокате время подъема температуры до 100С составляет несколько минут, вместе с тем при других технологических схемах производства этот период длится несколько часов [43]. Потому необходимо определить роль того или иного периода в общем цикле тепловой обработки и его влияние на процессы структурообразования бетона.
1. Предварительное выдерживание.
Преждевременное повышение температуры даже в условиях, исключающих возможность испарения влаги, отрицательно отражается на конечной прочности бетона. Оптимальное время предварительной выдержки бетона перед тепловой обработкой, по мнению Шейкина А.Е. [172-175], зависит от ряда факторов и оно тем меньше, чем тоньше помол цемента, чем меньше в нем белита и чем выше температура среды, в которой находится бетон перед тепловлажностной обработкой.
К-сж> 36 К МПа
Длительность предварительной выдержки, ч.
Рис. 1.1. Влияние продолжительности предварительной выдержки на прочность бетонов после ТВО [155]
По данным Миронова С.А. [102, 104] предварительная выдержка не только повышает прочность бетона, но и обеспечивает получение более устойчивых прочностных показателей. Наиболее эффективно предварительное выдерживание при тепловлажностной обработке подвижных бетонных смесей (рис. 1.1). Оно целесообразно и при пропаривании жестких смесей, так как независимо от показателя удобоукладываемости способствует более интенсивному росту прочности материала при последующем твердении.
Исследования Малининой Л.А. и Миронова С.А. [93, 95, 104] показали, что оптимальным временем предварительного выдерживания может считаться начало схватывания бетона. Оно, в свою очередь, зависит не только от состава цемента и бетона, но и от температуры окружающей среды. Чем выше водоцементное отношение (В/Ц) и подвижность бетонной смеси и ниже температура среды, тем продолжительней предварительная выдержка изделий до ТВО. В зависимости от этих факторов время рассматриваемого периода может изменяться от 2 до 10 ч [104]. Отсутствие предварительного выдерживания при организации заводского производства, особенно изделий с немедленной распалубкой, приводит к достижению меньших значений показателя прочности, как сразу после тепловой обработки, так и в возрасте 28 суток, по сравнению с бетоном нормального твердения [8, 31, 74].
Таблица 1.1 Продолжительность выдерживания бетонной смеси, мин [124]
Таким образом, в период предварительной выдержки структура бетона формируется в сравнительно спокойных условиях (при отсутствии интенсивной миграции влаги, температурных деформаций составляющих бетон материалов и т. д.). Эта структура становится способной воспринимать тепловое воздействие при подъеме температуры. По данным Малининой Л.А. [93-95] оптимальным временем предварительного выдерживания бетона следует считать период, за который бетон приобретает прочность порядка 0,3...0,5МПа.
2. Период подъема температуры.
Нагревание изделий в первый период тепловлажностной обработки происходит посредством теплопроводности материала, за счет конвективного теплопереноса от паровоздушной среды и конденсации пара [60, 115]. Вода, образующаяся при конденсации пара, осаждается в виде капель на поверхности изделия. Так как в период подъема температуры, а также в начале изотермического периода изделие имеет более низкую температуру, чем среда, то давление пара в камере превышает давление паров в изделии; изделие поглощает некоторое количество воды, образовавшейся на его поверхности [87, 101]. Повышение влажности верхних слоев еще незатвердевшего бетона вызывает перемещение воды к центру, а иногда и незначительное увеличение линейных размеров, особенно в верхних слоях. Одновременно с этим в бетоне наблюдаются контракционные явления, приводящие к уменьшению объема и способствующие миграции воды внутрь бетона [95, 104].
Влияние температуры на стадии подъема температуры 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 [38, 75, 172]. В этот период, особенно при быстром нагреве, в изделии могут возникать значительные напряжения, в результате которых образуются трещины, а также происходит нарушение контактов между цементным камнем и заполнителем.
При тепловой обработке бетон в результате температурного расширения увеличивается в объеме. Как известно, бетон представляет собой композит, состоящий из разнородных материалов: цемента, воды, крупного и мелкого заполнителей [12, 42, 78, 141]. При этом каждый материал, входящий в состав бетона, имеет свой коэффициент температурного расширения. Из всех компонентов композита наибольший коэффициент температурного расширения имеет вода, которая расширяется в сотни раз больше, чем твердый скелет [52,74,160].
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 ТВО бетоны имеют склонность к остаточному расширению. Это объяснится тем, что при тепловой обработке в материале идут сложные физико-химические процессы твердения. При быстром разогреве свежеотформованного бетона физический процесс температурного расширения опережает химический процесс твердения [4, 36, 39]. При медленном подъеме температуры складываются более благоприятные условия для формирования структуры: бетон приобретает определенную прочность до достижения им значительного температурного расширения [54, 75].
Миграция влаги в твердеющем материале способствуют 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 не окрепшие связи в местах контакта сращивающихся кристаллических новообразований, создают направленную (перпендикулярно поверхности изделий) пористость [11, 26, 39]. Так, согласно результатам исследований Шейкина А.Е. [172, 174], тепловлажно-стная обработка по сравнению с нормально-влажным твердением понижает плотность бетона, а, следовательно, увеличивает его пористость. По данным
Малининой Л.А. [94] пропаривание увеличивает проницаемость бетона в 3...4 раза по сравнению с нормально-влажным твердением, что также свидетельствует о повышении пористости. Ахвердовым И.Н. [8] установлено, что минимальная пористость для портландцемента достигается после 6 часов ТВО, а для пуццоланового портландцемента - после 8 часов.
Следует особо отметить отрицательную роль воздуха в бетоне при формировании его структуры во время тепловой обработки (содержание воздуха, вовлеченного в процессе приготовления и формования, обычно составляет 2...4% [45]). Воздух вследствие расширения, оказывает давление на стенки пор, стремясь раздвинуть их и занять больший объем. Однако это возможно лишь тогда, когда отсутствует предварительное выдерживание, бетон еще не приобрел структурной прочности и тепловая обработка его происходит без фиксации первоначального размера жесткой металлической формой, а давление, образовавшееся в поре, достаточно для того, чтобы раздвинуть окружающие ее слои [140, 143].
Если же бетон твердеет в форме (табл. 1.2), фиксирующей его объем, или сам по себе имеет достаточную структурную прочность, то при нагревании его составляющие стремятся занять объем воздушных пор или препятствовать их температурному расширению [13]. Вследствие этого парциальное давление паровоздушной смеси в порах значительно повышается, и превышает парциальное давление среды камеры.
Движение защемленного в бетоне воздуха под действием нагрева осуществляется в основном вверх, в сторону открытой поверхности изделия и наименьшего по высоте сечения, что приводит к деформированию и расслоению верхних слоев. Однако этот процесс наблюдается, в основном, при ТВО свежеотформованных изделий без форм по режимам с быстрым подъемом температуры. При пропаривании изделия в открытой форме воздух стремится выйти наружу и деформирует лишь открытую поверхность.
Таблица 1.2 Влияние условий тепловой обработки на степень развития деструктивных
процессов [13]
Поры, в зависимости от их расположения по сечению изделия, находятся в различных условиях вследствие разницы гравитационных воздействий окружающих слоев бетона. При этом наименьшие усилия требуются для раздвижки верхних слоев, не ограниченных формой. Вследствие этого пористость бетона по сечению изделия различна и зависит от его толщины. В тонких изделиях отношение толщины слоев, имеющих высокий показатель пористости, к общей толщине изделия будет большим, чем в массивных изделиях, так как в последних вес вышележащих слоев будет играть роль пригру-за, препятствующего свободному расширению бетона [121].
Неравномерность распределения пор по сечению особенно нежелательно для плоских изделий, работающих на изгиб, так как в этом случае ослабленной является сжатая зона бетона [108].
Таким образом, на стадии подъема температуры создаются благоприятные условия для химических реакций, поскольку при повышенной температуре в бетоне полностью сохраняется вода затворения [8, 31, 118]. Однако эта стадия неблагоприятна с точки зрения формирования физической структуры
19 ции вяжущего, расходуется на нагрев заполнителей, цемента и воды. Кроме того, известно, что показатель тепловыделения цемента зависит от его минералогического состава и тонкости помола. Поэтому при применении порт-ландцементов, характеризующихся низким показателем тепловыделения, или смешанных цементов температура бетона при тепловлажностной обработке равна температуре среды камеры или же превышает ее на незначительную величину. При значительном расходе высокомарочных быстротвердеющих цементов на 1 м бетона, быстром подъеме температуры среды камеры и высоком ее значении температура в изделии превышает температуру среды камеры [112].
t= 80С
Q, 300
кДж/кг
10 т, ч
Рис. 1.2. Кинетика тепловыделения в бетоне при твердении [112] Q - тепловой эффект, кДж/кг; т - время, ч.
Если тепловыделение при гидратации цемента в материале не приводит к увеличению температуры, превышающей температуру в камере, это явление играет положительную роль. Оно способствует более быстрому и равномерному прогреванию всего изделия по сечению, уменьшает температурные напряжения и, кроме того, снижает энергозатраты [70, 101, 191]. По данным Марьямова Н.Б. [99] за первые 3.. .4 часа тепловлажностной обработки тепло,
20 выделившееся в результате реакций гидратации цемента, составляет около 20% количества тепла, идущего на нагрев изделий. Исследования Малининой Л.А. и Миронова С.А. показали [104], что прогрев свежеот-формованных изделий идет примерно в 1,5 раза быстрее, чем затвердевших.
Тепловыделение цемента и, следовательно, бетона представляет собой непрерывно развивающийся во времени сложный процесс. В литературе довольно широко освещен вопрос о тепловыделении, как цемента, так и бетона [13, 41, 53, 60, 100]. В этих работах предлагаются зависимости для количественного определения внутреннего источника тепла, наиболее достоверными и широко используемыми являются формулы Марьямова Н.Б. Для определения количества тепла, выделяемого цементом, в его работе [101] предлагаются следующие зависимости: если количество градусо-часов & = tnx не превышает 375:
/ n0,44
Q, = 1>85qJ О-6"0'00'58) О-1)
чД/
если количество градусо-часов & = tnx превышает 375, но менее 2000:
( г> \0'44
Q3=1,85qJt7 М'бббе-0'00043) (1.2)
чД/
где tn - температура поверхности бетона, С; т - продолжительность ТВО, ч; Оэ28 - тепловыделение цемента при его 28-суточном твердении в нормальных условиях, кДж/кг; В/Ц - водоцементное отношение бетона; е - основание натурального логарифма.
Резюмируя вышесказанное можно отметить, что в период изотермической выдержки интенсивно протекают процессы образования новых химических связей, что сопровождается значительным выделением тепла. Это явление является положительным, так как способствует более быстрому и равномерному прогреванию изделия по сечению, уменьшает температурные напряжения и снижает тепловые затраты. Однако, при назначении режимов те-пловлажностной обработки необходимо учитывать опасность превышения
21 температуры кипения воды, так как в этом случае возможно возникновение высоких внутренних напряжений в период, когда структура бетона еще окончательно не сформировалась.
4. Период охлаждения.
При понижении температуры в тепловой установке бетон имеет высокую температуру, а внутреннее давление паров в изделии превышает давление паров окружающей среды [92, 120, 156]. За счет имеющейся разницы температур происходит интенсивное испарение влаги из бетона. Количество воды, теряемой бетоном при тепловой обработке, неодинаково и в основном зависит от состава и плотности бетона, а также от режима тепловой обработки. По данным различных исследователей эта величина может составлять от 20 до 40% от воды затворения [1, 9, 33].
По мере охлаждения изделия и испарения с поверхности происходит миграция влаги из центральных участков изделия. Влага, удаляясь из изделия в виде пара, образует каналы, которые идут во все стороны от центральных участков изделия к периферии и соединяют между собой пустоты и поры [12, 39, 46, 80]. Вследствие этого цементный камень имеет больше пор, и после тепловой обработки характеризуется направленной пористостью, повышающей водопроницаемость изделий и понижающей их морозостойкость.
Удаление значительной части свободной воды также ухудшает условия гидратации цементных зерен при последующем твердении бетона в естественных условиях. При пропаривании образуются плотные пленки продуктов гидратации, которые препятствуют дальнейшему проникновению воды к не-гидратированному зерну. Образование более плотных гелей, содержащих меньшее количество воды, по сравнению с гелями, образующимися при твердении в нормальных условиях, является следствием не только уменьшения дисперсности новообразований, но также обезвоживания бетона в период понижения температуры.
Напряженное состояние в бетоне при снижении температуры теплоносителя является следствием не только разности температурных перепадов по сечению изделия, но и разного температурного расширения отдельных со-
22 ставляющих [41, 52, 57, 121]. При охлаждении компоненты материала стремятся сократиться в объеме, каждый соответственно своему коэффициенту температурного расширения, в результате чего в зонах контакта цементного камня и заполнителей возникают растягивающие напряжения, понижающие прочность бетона.
На формирование структуры бетона при ТВО значительное влияние оказывает форма [92, 95, 141], которая, как уже отмечалось, фиксирует размеры изделия и препятствует его свободному расширению. Температурные деформации бетона при пропаривании следуют за деформациями формы. В связи с тем, что коэффициент температурного расширения свежеотформо-ванного бетона выше, чем у металла, форма в период подъема и снижения температуры обжимает изделие, способствуя получению более плотной структуры [92, 100, 125].
Для изучения процесса формирование структуры бетона и раствора Малининой Л.А. и Мироновым С.А. [95, 104] были проведены исследования пористости бетона дилатометрическим методом. Анализ проведенных исследований показал, что образцы одного и того же состава, подвергнутые последующему замораживанию в одних и тех же условиях, в зависимости от режима и условий тепловой обработки, имеют различный характер дилатометрических кривых: в зависимости от условий тепловой обработки бетон может иметь различную структурную и общую пористости. Последняя по данным [104] может измениться в 1,5...2 раза.
Несмотря на то, что во время тепловой обработки создаются условия, вызывающие структурные дефекты в бетоне, путем правильного выбора условий, а также назначения соответствующего состава можно получить материал, обладающий высокими эксплуатационными свойствами.
Одним из показателей, характеризующих дефекты структуры материала, является изменение линейных размеров (линейные деформации). С понижением скорости подъема температуры величина деформаций бетона уменьшается, поэтому необходимо применение режимов ТВО с медленным или ступенчатым подъемом температуры. Перепад температуры между по-
23 верхностью и центром изделия (At) тем больше, чем больше толщина изделий, меньше расход цемента и величина тепловыделения цемента, больше интенсивность подъема температуры [ПО]. Так, при толщине плит 40 см и более даже при 6...7 часовом нагреве до 80С величина At достигает 40С, а при скорости нагрева 30...40С в час (в течение 1,5...2,0 ч) максимальная величина At достигает 60С [52]. Роль выделения теплоты вследствие реакций гидратации цемента для таких изделий выражается в снижении At на 5...10С. В тонких плитах (до 10 см) влияние перепада температур на струк-турообразование существенно уменьшается.
Допустимая скорость снижения температуры зависит также и от прочности бетона, достигнутой к концу изотермического прогрева. Температурные перепады приводят к образованию растягивающих напряжений. Поэтому, чем выше прочность бетона, тем большие напряжения он может воспринять без разрушения.
В тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к водонепроницаемости и морозостойкости бетона, целесообразно охлаждать изделия путем орошения их водой с постепенным понижением ее температуры до температуры окружающей среды.
Наблюдения [3, 8, 43] показали, что трещинообразование в период охлаждения также зависит от вида и степени армирования, прочности бетона, массивности изделия и других факторов. Таким образом, при выборе режимов термообработки должны учитываться приведенные обстоятельства.
Анализ влияния различных факторов на структурообразование бетонов показал, что деструктивные процессы в твердеющем бетоне могут быть сведены к минимуму вследствие применения комплекса мероприятий. Прежде всего, в зависимости от требований, предъявляемых к готовому материалу (прочность, трещиностойкость, морозостойкость) на основе знания механизма тепломассопереноса, должен быть выбран рациональный метод и режим ТВО. Учет кинетики тепломассообмена, а также всех отрицательных воздействий на структурообразование бетона позволяет управлять ими направленно, изменяя, с целью получения бетона заданных свойств.
1.2. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
НА СВОЙСТВА БЕТОНА
1.2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Структура бетона не является постоянной и меняется как в результате физико-химических процессов твердения, так и воздействий внешней среды. Физико-механические свойства бетона определяются не столько фазовым составом новообразований, образующихся в процессе гидратации, сколько физической структурой бетона в целом.
При нормальных условиях твердения формирование структуры происходит в относительно спокойных условиях, так как основные составляющие бетона не испытывают значительных объемных изменений под воздействием температуры. В этих условиях температурные градиенты возникают лишь за счет саморазогрева бетона в результате выделения теплоты вследствие реакций гидратации цемента [59, 154]. Однако и в этом случае возможно возникновение напряженного состояния бетона, вызываемого усадочными явлениями в результате испарения воды затворения с поверхности бетона, кон-тракционных изменений, напряжений в кристаллических сростках цементирующего вещества за счет процессов перекристаллизации и перехода мета-стабильных фаз в более стабильные [39, 112].
Повышение температуры интенсифицирует ход конструктивных процессов твердения, что приводит к общему упрочению структуры. Однако повышение температуры приводит также к усилению деструктивных процессов, так как к происходящим контракционным явлениям добавляются темпе-ратурно-влажностные деформации. По мнению ряда исследователей [58, 80, 163], на деформации бетона при ТВО влияет главным образом тепловое расширение составляющих бетон материалов в период нагрева и температурно-влажностная усадка в период охлаждения. Совместным воздействием миграции влаги и температурных перепадов в объеме изделий образуются дефекты структуры в период нагрева, которые фиксируются физико-химическими
25 процессами твердения в период изотермической выдержки. Таким образом, тепловлажностная обработка является одним из определяющих факторов в обеспечении показателей качества бетона.
1.2.2. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА
Прочность пропаренных бетонов зависит от многих факторов: вида цемента, водоцементного отношения, режима тепловой обработки и др. Так же как и при нормальном твердении, основным фактором, определяющим величину абсолютной и относительной прочности бетона при тепловлажностной обработке, является водоцементное отношение. Чем ниже В/Ц, тем большую относительную прочность имеет бетон как сразу после тепловой обработки, так и 28-суточном возрасте по отношению к марочной [12, 33, 70].
На заводах сборного железобетона применяются бетонные смеси различной подвижности. Благодаря совершенствованию методов уплотнения бетона наиболее часто применяются бетонные смеси с относительно невысокими значениями водоцементного отношения (от 0,3 до 0,55) и жесткостью 20.. .60 с [45,151].
Таблица 1.3 Зависимость свойств бетонов, подвергнутых ТВО, от метода
уплотнения [151]
26 По данным [77, 104] при ТВО в открытых формах по режиму 2+8+2 ч при 80С бетоны с жесткостью 100... 120 с приобретали прочность, равную 65...82% от марочной; с жесткостью 40...60 с - 62...70%, а с осадкой конуса 7...8 см - 56...65%. Аналогичная зависимость наблюдается и при других режимах. Таким образом, тепловая обработка бетонов из жестких смесей с небольшим водосодержанием и низким В/Ц гораздо эффективнее, чем подвижных.
Результаты опытов [94] показывают, что при пропаривании бетонов из жестких смесей при 80С уже достаточен прогрев в течение 4 ч. Увеличение продолжительности периода 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. Установлено, что применение для изготовления изделий бетонов с низким В/Ц способствует снижению продолжительности тепловой обработки, а, следовательно, снижению энергозатрат, увеличению оборачиваемости технологической линии.
При температуре 100С наблюдается та же зависимость эффективности ТВО от жесткости смеси, что и при 80С. Однако характерной особенностью в этом случае является быстрый рост прочности в первые часы изотермического прогрева, после которого наблюдается некоторый спад прочности, сменяющийся новым периодом ее повышения [96, 100].
В опытах [94] установлено, что увеличение продолжительности изотермической выдержки при 100С с 4 до 6 ч приводит не к росту, а к снижению прочности (рис.1.1). Еще большее снижение прочности наблюдается 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 (рис. 1.3).
5S
о а,
н о
«
К О
н о
о к
/2
Длительность изотермической выдержки, ч
Рис. 1.3. Интенсивность роста прочности при тепловлажностной обработке бетонов из жестких (1) и подвижных смесей (2) [94]
Бетоны при одной и той же удобоукладываемости, но разном В/Ц и различной марке за один и тот же период тепловой обработки приобретают различную относительную прочность. Чем ниже В/Ц, тем интенсивнее рост прочности материала. В то же время на интенсивность твердения бетона при ТВО оказывает определенное влияние удобоукладываемость бетонной смеси. Гак, при одной и той же марочной прочности жесткие бетонные смеси за один и тот же период тепловлажностной обработки обеспечивают несколько большую относительную прочность бетона, чем пластичные. Однако решающее влияние на скорость твердения бетона оказывает В/Ц, удобоукладываемость влияет в меньшей степени [68-70]. Более низкую скорость твердения при одинаковом В/Ц имеют лишь бетоны весьма высокой подвижности.
Установлено [52-54, 60], что независимо от состава цемента и бетона прочность последнего при ТВО увеличивается лишь до определенного времени. При этом интенсивность роста прочности не пропорциональна продолжительности тепловлажностной обработки при максимально принятой температуре. Так, в период подъема температуры и в первые часы изотерми-
28 ческого прогрева прочность бетона увеличивается интенсивно, затем ее рост замедляется, а после определенного периода начинает даже уменьшаться по сравнению со значением, полученным при более коротком режиме тепловой обработки.
Малинина Л.А. [94] выделяет три основных периода роста прочности при тепловлажностной обработке:
незначительного роста прочности;
быстрого роста прочности;
медленного роста прочности с периодическим ее снижением.
В первом периоде (рис. 1.4) первые 2...3 ч. тепловой обработки прочность бетона увеличивается незначительно. 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 до 6... 10 ч. наступает третий период, интенсивность роста прочности падает (кривая 2, рис. 1.4) и наблюдается устойчивое чередование периодов повышения и снижения прочности с незначительной тенденцией к ее увеличению.
'"80
CD м
в g
О) CL
Н о
4 61 8 10^ Щ 14[ 16] 18 20^2 Длительность тепловой обработки, ч
Рис. 1.4. Кинетика роста прочности бетона в процессе ТВО [94] 1 - интенсивность роста прочности; 2 - относительная прочность бетона;
I, II, III - периоды роста прочности
29 Тепловлажностная обработка оказывает существенное влияние на конечную прочность бетона. Следует отметить что, такие факторы, как длительность предварительной выдержки, водоцементное отношение, удобоук-ладываемость бетонной смеси, вид цемента должны всегда учитываться при назначении режима тепловой обработки.
1.2.3. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА
Интенсивность и характер разрушения бетонов при многократном замораживании и оттаивании зависят от плотности и прочности бетона, содержания пор, особенно капиллярных, а также от степени насыщения их водой [7, 20, 34, 63]. Чем больше пор будет заполнено водой, тем быстрее и сильнее разрушается бетон при замораживании [23, 38, 45].
Разрушение водонасыщенных бетонов при температуре ниже 0С происходит в результате превращения воды в лед. Как известно, в замкнутых порах при расширении замерзшей воды развивается давление, значительно превышающее прочность бетона, что приводит к его разрушению [63, 72, 130].
На механизм разрушения бетонов влияют как физические факторы (плотность структуры и наличие в ней дефектов, строение пор), так и химические (фазовый состав новообразований, степень затвердевания цементного камня). Морозостойкость бетонов обеспечивается не только их высокой плотностью, но и определенным строением пор. Например, ячеистые бетоны с пористостью, достигающей 75% и более, после автоклавной обработки оказываются более морозостойкими, чем плотные бетоны на тяжелых заполнителях с большим водосодержанием. Как показали исследования и практика применения тяжелых бетонов [6-18, 64, 68-70, 74], твердеющих в естественных условиях, морозостойкость их значительно повышается благодаря применению воздухововлекающих добавок.
Большое значение в повышении морозостойкости бетона имеют водоцементное отношение и жесткость бетонной смеси. При хорошем уплотне-
ний жесткие бетоны с низким В/Ц обладают меньшим количеством пор и, следовательно, более высокой морозостойкостью по сравнению с пластичными бетонами.
Известно, что вода, содержащаяся в геле и в контракционных порах, замерзает только при температурах ниже минус 30С [11, 54]. При отрицательных температурах со значениями, близкими к 0С, замерзает и может вызывать увеличение объема только вода, содержащаяся в капиллярах радиусом более 0,1 мкм, поэтому на степень морозостойкости бетона большое влияние оказывает содержание капиллярных пор, которые образуются при гидратации цемента и седиментационном уплотнении бетонной смеси [9, 91, 166].
По данным Горчакова Г.И. [45] в морозостойких бетонах должно содержаться не более 7% капиллярных пор. При этом следует учитывать, что по мере гидратации цемента и увеличения объема новообразований общее количество капиллярных пор уменьшается. Чем меньше водоцементное отношение в плотно уложенных бетонах, тем меньше в них остается капиллярных пор.
На морозостойкость, так же как и на прочность, большое влияние оказывают деформации бетона в процессе его тепловой обработки. Многие исследователи [46, 72, 117, 118, 172-177] указывают на то, что тепловлажност-ная обработка во всех случаях нарушает структуру бетона иногда очень сильно, иногда же совсем незначительно. Таким образом, кроме степени пористости, вида и строения пор в бетоне необходимо принимать во внимание деструктивные процессы, происходящие при его тепловой обработке.
Следовательно, несмотря на то, что ТВО способствует снижению показателя морозостойкости бетона, и, несмотря на возможность появления дефектов микроструктуры (направленные микротрещины и поры), при правильном выборе, в зависимости от вышеперечисленных условий, режимов тепловой обработки, возможно, получать бетоны высокой морозостойкости.
31 1.3. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ТВО БЕТОНА
1.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ТВО БЕТОНА
Классификацию тепловых установок, применяемых на предприятиях по производству сборного железобетона, производят в основном по пяти классификационным признакам [120, 124].
По виду теплоносителя подразделяют установки для ТВО с использованием водяного пара, горячего воздуха, горячей воды, высокотемпературных органических жидкостей, продуктов сгорания газа, электрической и солнечной энергии.
По способу тепловой обработки различают тепловые установки для ТВО при атмосферном давлении, высокотемпературного прогрева в среде горячего воздуха и продуктов сгорания газа, прогрева в горячей воде, электрообогрева, индукционного и электрического прогревов, прогрева с использованием солнечной энергии.
По способу передачи теплоты бетону тепловые установки классифицируют на установки, в которых теплота преимущественно передается конвективным, кондуктивным, смешанным (конвективно-кондуктивным) способами.
Конвективный теплообмен наблюдается при преобладающем непосредственном соприкосновении открытой поверхности бетонных изделий с теплоносителем. Такой способ передачи теплоты может быть организован при тепловой обработке на поддонах в ямных и туннельных камерах [99].
Кондуктивный теплообмен проявляется при прогреве бетонных изделий через поверхность нагрева - от стенок формы за счет теплопроводности при контакте теплоносителя с формой. Этот вид теплообмена преобладает при тепловой обработке в кассетах, термоформах, обогреваемых стендах.
Смешанный способ подвода теплоты происходит при частичном прогреве бетона со стороны открытой поверхности бетона и частично от стенок формы, контактирующей с теплоносителем. Это наиболее широко распространенный способ теплообмена, характерный для ямных, туннельных и щелевых пропарочных камер, индукционных установок [77].
По режиму работы различают тепловые установки периодического и непрерывного действия [143]. Тепловлажностная обработка бетонных и железобетонных конструкций в установках периодического действия осуществляется при их стационарном положении в рабочей камере и изменении теплового режима во времени. Для установок непрерывного действия характерным является стационарное распределение температурных зон по длине рабочей камеры и последовательное прохождение через них движущихся прогреваемых изделий.
По конструкции тепловые агрегаты разделяют на ямные пропарочные камеры, кассетные установки, термоформы, пакетные установки, автоклавы, туннельные и щелевые пропарочные камеры, вертикальные камеры, установки для электромагнитной обработки [163].
1.3.2. ТЕПЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
1.3.2.1. ЯМНЫЕ ПРОПАРОЧНЫЕ КАМЕРЫ
Пропарочные камеры ямного типа - это наиболее простые по конструкции тепловые установки для ускоренного твердения бетонных изделий (рис. 1.5). Их стали применять в первую очередь и до настоящего времени они широко распространены в производстве сборного железобетона. Примерно 60% общего объема бетонных и железобетонных изделий и конструкций, производимых в нашей стране, подвергают тепловлажностной обработке в установках подобного типа [120].
Ямные камеры, как правило, выполняют в виде прямоугольной формы. В зависимости от уровня грунтовых вод и условий эксплуатации их сооружают заглубленными или напольными. Чаще строят заглубленные ямные камеры, которые выступают под уровнем пола на 0,5...0,7 м. для удобства их обслуживания. Напольные ямные камеры оборудуют специальными площадками для обслуживания.
Рис. 1.5. Схема ямной пропарочной камеры [120]
1 - стеновые ограждения камеры; 2 - крышка камеры; 3 - гидрозатвор;
4 - магистральный паропровод; 5 - подводящий паропровод; 6 - система
конденсатоотвода; 7 - вентиляционный канал; 8 - вентиляционное отверстие;
9 - червячный винт; 10 - герметизирующий клапан; 11 - пол камеры.
По способу парораспределения и параметрам тепловой обработки пропарочные камеры ямного типа разделяют на обычные пропарочные камеры конструкции Гипростройиндустрии, Гипростроймаша; безнапорные камеры конструкции Семенова Л.А.; камеры с интенсивной циркуляцией греющей среды и другие. Расход пара в камерах такого типа составляет 150... 170 кг на 1 м3 бетона [120].
1.3.2.2. КАССЕТНЫЕ УСТАНОВКИ
Кассетные установки предназначены для изготовления железобетонных изделий в вертикальном положении. В них формуют и подвергают тепловой обработке панели перекрытий, внутренние стеновые панели, перегородки, балконные плиты, вентиляционные блоки и другие изделия. Тепловлажност-ную обработку в кассетных установках осуществляют контактным способом с передачей теплоты изделиям от теплоносителя через металл стенок или перегородок.
34 Цикл ТВО складывается из двух периодов [124]: первый - прогрев, второй - изотермическая выдержка, после чего изделия распалубливают. Время тепловой обработки бетона в кассетах составляет 6...8 ч, прочность изделий после этого составляет 50...60% от марочной. В кассетах изделия не охлаждают, так как это приводит к снижению показателя оборачиваемости кассеты. Распалубленные изделия устанавливают в камеру, где они очень медленно охлаждаются и в течение 15... 18 ч продолжают набирать прочность. По истечению этого времени они набирают 70...75% марочной прочности и согласно принятым технологическим нормам, могут быть отправлены потребителю.
4 5 . 3 6
Рис. 1.6. Схема кассетной установки [124]
1 - станина; 2 - теплоизолирующие стенки; 3 - разделительная стенка;
4 - отсеки для подачи пара; 5 - отсеки для формования изделий;
6 - фиксирующие упоры; 7 - механизм сжатия.
Конструктивно кассетные установки выполняют стационарными, состоящими из опорной рамы, пакетов секций разделительных формующих листов и паровых рубашек, насосной установки, гидро- и электрооборудования, гидроразводки и площадки обслуживания (рис. 1.6). Наиболее широко распространены кассетные установки конструкции НИИ технологии и организации производства (НИАТ), в которых предусмотрен прогрев каждого изделия с двух сторон; в кассетах Гипростройиндустрии паровые отсеки про-
35 гревают от двух до четырех изделий. Расход пара в кассетах составляет 150...250 кг на 1м3 бетона [124].
1.3.3. УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
1.3.3.1. ТУННЕЛЬНЫЕ И ЩЕЛЕВЫЕ ПРОПАРОЧНЫЕ КАМЕРЫ
Заводы сборного железобетона, работающие по конвейерной технологической схеме производства, оснащают тепловыми установками непрерывного действия. Наиболее широко применяют туннельные и щелевые камеры.
Туннельные камеры обычно выполняют напольными. По направлению загрузки и выгрузки изделий их разделяют на проходные и туннельные [124]. Эти установки применяются преимущественно при изготовлении изделий небольших габаритных размеров. Изделия для тепловой обработки подают в туннельные камеры, как правило, на поддонах вагонеток. Внизу камеры прокладывают перфорированные трубы, через которые поступает пар. Двери имеют жесткий каркас из уголков или швеллеров и двустороннюю стальную обшивку, между которой укладывают минеральную вату. Для уплотнения по контуру используется термостойкая резина.
Из-за трудности устройства герметичных дверей, увеличенных удельных расходов пара и других недостатков туннельные камеры менее широко распространены по сравнению со щелевыми камерами для ТВО бетона.
Конструктивно щелевые тепловые установки представляют собой камеры туннельного типа, в которых по рельсовому пути перемещаются вагонетки с изделиями, загружаемые с одного торца и выгружаемые с противоположного (рис. 1.7). По длине камер имеется ряд температурных зон, через которые последовательно проходят изделия: 1 - зона подъема температуры; 2 -зона изотермической выдержки; 3 - зона охлаждения.
Изделия в камере движутся не непрерывно, а импульсами. Для повышения производительности конвейерной линии применяются двух- и трехъярусные камеры [163].
Рис. 1.7. Схема двухъярусной щелевой пропарочной камеры [163]
1 - вагонетка с изделиями; 2 - механическая штора;
3 - ограждения камеры; 4 - подъемник.
Высота щелевых камер, как правило, в 4...6 раз меньше ширины. Эффективность применения этих камер обусловлена меньшими потерями теплоты. Эти установки для ТВО бетона оборудуют системами пароснабжения и электронагревателями. Последние используют в основном для тепловой обработки керамзитобетонных изделий. Расход пара в таких камерах в пересче-те на пар составляет 150.. .200 кг/м [163].
1.3.3.2. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПРОПАРОЧНЫЕ КАМЕРЫ
Вертикальные камеры, предложенные Семеновым Л.А. [124], у двух противоположных стен имеют проемы для загрузки и выгрузки форм. В установках этого типа используется естественное распределение пара и воздуха по высоте.
Основное достоинство вертикальных камер - их устойчивый тепловой режим, что упрощает эксплуатацию и обеспечивает возможность организации поточной технологической линии, занимают в 2... 3 раза меньше площади, чем ямные камеры.
Расход пара в вертикальных камерах 100... 150 кг/м [ 124].
Схема вертикальной пропарочной камеры представлена рис. 1.8. Стрелками обозначено направление движения изделий в процессе ТВО.
Недостатки вертикальных камер: возможность выхода из строя механизмов, находящихся в среде насыщенного пара, и низкий коэффициент использования объема камеры.
1.4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
С учетом изложенного, основными задачами диссертационной работы являются:
исследование влияния режимов тепловлажностной обработки на эволюцию и особенности структурообразования с целью регулирования процессов ускоренного твердения и обеспечения высоких эксплуатационных свойств бетона;
изучение зависимости водо-, морозо- и коррозионной стойкости бетона от кинетики физико-химических процессов, протекающих при его тепловой обработке, а также теплового эффекта реакций гидратации цемента;
разработка физико-математической модели процесса тепловлажностной обработки бетона с учетом источника теплоты, обусловленного реакциями гидратации цемента, позволяющей производить расчеты полей темпе-
38 ратур в обрабатываемых изделиях; а, следовательно, и проводить необходимую оценку влияния полей температур на процессы структурообразования бетона.
В соответствии с этим, во второй главе диссертации приведены характеристики используемых материалов, оборудования, содержатся сведения о применяемых методах исследования тепловых процессов и строительно-технических свойств бетона. В третьей главе предложена физико-математическая модель процесса тепловлажностной обработки бетона, приведены результаты численного эксперимента. В четвертой главе отражены результаты по исследованию влияния скорости подъема температуры теплоносителя на особенности формирования структуры и свойства бетона, подвергнутого ТВО. В пятой главе отражены результаты определения зависимости эксплуатационных свойств бетона от физико-химических процессов, протекающих в материале в процессе ТВО.
Влияние режима тепловой обработки на процессы структурообразования бетона
Нагревание изделий в первый период тепловлажностной обработки происходит посредством теплопроводности материала, за счет конвективного теплопереноса от паровоздушной среды и конденсации пара [60, 115]. Вода, образующаяся при конденсации пара, осаждается в виде капель на поверхности изделия. Так как в период подъема температуры, а также в начале изотермического периода изделие имеет более низкую температуру, чем среда, то давление пара в камере превышает давление паров в изделии; изделие поглощает некоторое количество воды, образовавшейся на его поверхности [87, 101]. Повышение влажности верхних слоев еще незатвердевшего бетона вызывает перемещение воды к центру, а иногда и незначительное увеличение линейных размеров, особенно в верхних слоях. Одновременно с этим в бетоне наблюдаются контракционные явления, приводящие к уменьшению объема и способствующие миграции воды внутрь бетона [95, 104].
Влияние температуры на стадии подъема температуры 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 [38, 75, 172]. В этот период, особенно при быстром нагреве, в изделии могут возникать значительные напряжения, в результате которых образуются трещины, а также происходит нарушение контактов между цементным камнем и заполнителем. При тепловой обработке бетон в результате температурного расширения увеличивается в объеме. Как известно, бетон представляет собой композит, состоящий из разнородных материалов: цемента, воды, крупного и мелкого заполнителей [12, 42, 78, 141]. При этом каждый материал, входящий в состав бетона, имеет свой коэффициент температурного расширения. Из всех компонентов композита наибольший коэффициент температурного расширения имеет вода, которая расширяется в сотни раз больше, чем твердый скелет [52,74,160].
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 ТВО бетоны имеют склонность к остаточному расширению. Это объяснится тем, что при тепловой обработке в материале идут сложные физико-химические процессы твердения. При быстром разогреве свежеотформованного бетона физический процесс температурного расширения опережает химический процесс твердения [4, 36, 39]. При медленном подъеме температуры складываются более благоприятные условия для формирования структуры: бетон приобретает определенную прочность до достижения им значительного температурного расширения [54, 75].
Миграция влаги в твердеющем материале способствуют 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 не окрепшие связи в местах контакта сращивающихся кристаллических новообразований, создают направленную (перпендикулярно поверхности изделий) пористость [11, 26, 39]. Так, согласно результатам исследований Шейкина А.Е. [172, 174], тепловлажно-стная обработка по сравнению с нормально-влажным твердением понижает плотность бетона, а, следовательно, увеличивает его пористость. По данным Малининой Л.А. [94] пропаривание увеличивает проницаемость бетона в 3...4 раза по сравнению с нормально-влажным твердением, что также свидетельствует о повышении пористости. Ахвердовым И.Н. [8] установлено, что минимальная пористость для портландцемента достигается после 6 часов ТВО, а для пуццоланового портландцемента - после 8 часов.
Следует особо отметить отрицательную роль воздуха в бетоне при формировании его структуры во время тепловой обработки (содержание воздуха, вовлеченного в процессе приготовления и формования, обычно составляет 2...4% [45]). Воздух вследствие расширения, оказывает давление на стенки пор, стремясь раздвинуть их и занять больший объем. Однако это возможно лишь тогда, когда отсутствует предварительное выдерживание, бетон еще не приобрел структурной прочности и тепловая обработка его происходит без фиксации первоначального размера жесткой металлической формой, а давление, образовавшееся в поре, достаточно для того, чтобы раздвинуть окружающие ее слои [140, 143].
Если же бетон твердеет в форме (табл. 1.2), фиксирующей его объем, или сам по себе имеет достаточную структурную прочность, то при нагревании его составляющие стремятся занять объем воздушных пор или препятствовать их температурному расширению [13]. Вследствие этого парциальное давление паровоздушной смеси в порах значительно повышается, и превышает парциальное давление среды камеры.
Движение защемленного в бетоне воздуха под действием нагрева осуществляется в основном вверх, в сторону открытой поверхности изделия и наименьшего по высоте сечения, что приводит к деформированию и расслоению верхних слоев. Однако этот процесс наблюдается, в основном, при ТВО свежеотформованных изделий без форм по режимам с быстрым подъемом температуры. При пропаривании изделия в открытой форме воздух стремится выйти наружу и деформирует лишь открытую поверхность.
Определение содержания гидроксида кальция в бетоне
Качество и срок службы бетонных и железобетонных конструкций, прошедших тепловлажностную обработку, в значительной степени зависят от того, насколько в таких условиях удается сохранить ненарушенными структуру и плотность бетона, достигнутые в процессе формования изделий. Тепловая обработка всегда в той или иной степени снижает показатели физико-механических свойств бетона по сравнению с достигаемыми при его твердении в условиях нормальной температуры во влажной среде и снижает их в тем большей степени, чем интенсивнее режим ТВО. Последняя особенно заметно отражается на строительно-технических свойствах бетона в условиях воздействия жидких сред.
До настоящего времени не опубликовано достаточно данных исследований влияния на структуру и эксплуатационные свойства пропаренного бетона отдельных этапов его тепловой обработки и температурных режимов на каждом из этих этапов. Значительная часть исследований посвящена изучению влияния температурного фактора на процессы гидратации и твердения вяжущего при повышенных температурах. В меньшей степени изучены вопросы остаточных деформаций и напряжений в бетоне, подвергаемом ТВО при атмосферном давлении, хотя работы [31, 52, 77, 86, 93-96, ПО, 177] внесли существенный вклад в изучение этих процессов. Еще менее изучена физическая роль температурных градиентов, возникающие в бетоне изделий в первые часы их тепловой обработки. По этому вопросу до настоящего времени нет единого мнения. В последние годы все чаще применяют технологические приемы производства изделий, связанные с быстрым подъемом температуры среды в камерах ТВО. При этом имеется точка зрения, что в период пластического состояния бетона такие режимы не могут вызывать существенных нарушений его структуры. Однако, еще в 60-е годы прошлого столетия было отмечено, что темп подъема температуры в процессе разогрева изделий при пропаривании играет важную роль в формировании всех физико-механических свойств бетона и особенно ощутимо сказывается на его водостойкости и морозостойкости.
Результаты проведенных нами модельных расчетов (п.3.4.1) показали, что именно в период разогрева температурное поле в изделии отличается наибольшей неравномерностью, характеризуется наличием температурных градиентов в каждом сечении и, следовательно, способно вызывать значительные внутренние температурные и усадочные напряжения в бетоне. В период разогрева, когда структура бетона еще не сформировалась и прочность его невелика, влияние температурных градиентов по сечению бетона на его свойства в затвердевшем состоянии велико и проявляется в микронарушениях сплошности и структуры материала.
Однако, качественную зависимость эксплуатационных свойств бетона от скорости подъема температуры среды при тепловой обработке изделий до сих пор не удавалось оценить количественно и выразить изменение физико-механических свойств бетона во взаимосвязи с конкретными значениями температурных градиентов в изделиях в начальный период их ТВ О.
Исходя из этого, в данной главе диссертационной работы излагаются результаты исследования влияния скорости подъема температуры теплоносителя на особенности формирования структуры и свойства бетона, подвергнутого ТВО.
Под структурой бетона обычно подразумевают широкий комплекс понятий, в который включают строение материала на самых различных уровнях, начиная от атомно-молекулярных структур составляющих бетон компонентов и кончая макроструктурой бетона как композиционного материала, состоящего из цементно-песчаного раствора и заполнителя. Все уровни структур оказывают определенные воздействия на свойства материала, в который они входят.
Из многочисленных классификаций структур бетона, предложенных различными авторами [25, 54, 70, 91], наиболее общей представляется классификация, выделяющая три основных типа структуры [54]: микроструктуру - структуру цементного камня; мезоструктуру - структуру цементно-песчаного раствора в бетоне; макроструктуру - двухкомпонентную систему (раствор и крупный заполнитель).
Основу теории твердения бетона составляет принцип структурообразо-вания. На основании экспериментальных исследований Ребиндера П.А. [131], Ахвердова И.Н. [8] и Комохова П.Г. [75, 76, 92] в процессе струк-турообразования бетона выделяют следующие периоды: первый - образование механической смеси вяжущего, заполнителя и воды, начало взаимодействия портландцемента с водой (бетонная смесь). Второй - образование коа-гуляционной структуры, обладающей тиксотропными свойствами. На этой стадии происходит упрочнение сформированной структуры бетона, которое определяет будущие свойства композита. Третий - образование плотного материала, обладающего высокой структурной прочностью, формирование искусственного каменного материала - бетона.
Развитию физико-химических основ процессов твердения бетона способствует изучение как кристаллизационных, так и коагуляционных структур. Нами проведены исследования этих структур композита методом оптической микроскопии (табл.4.1).
Одной из важнейших характеристик структуры бетона являются параметры его порового пространства. Это связано с тем, что цементный камень и соответственно бетон являются по своей природе капиллярно-пористыми материалами.
Внутренний тепло- и массообмен в период нагрева
Портландцемент и различные его производные, а, следовательно, и бетоны на их основе характеризуются относительно высокой стойкостью против действия многих агрессивных факторов. Тем не менее, при неблагоприятных условиях они могут быстро разрушаться.
Бетон - композиционный материал, свойства которого зависят от множества факторов. Эта сложная система находится в состоянии неустойчивого равновесия, и в ней происходят непрерывные изменения. При действии воды, растворяющей какой-либо элемент этой системы, равновесие на данном участке нарушается и вся система претерпевает изменения, переходя в новое равновесное состояние, соответствующее новым условиям.
Составляющие бетона в той или иной степени растворимы в воде. Наибольшей растворимостью среди минералов обладает гидроксид кальция, который является основным регулятором равновесия в системе цементный камень - вода.
Процесс растворения делят на два периода. Первый, когда при наличии условия для постепенного выщелачивания гидроксида кальция из цементного камня в раствор переходит свободный гидроксид кальция. Второй - когда удаляется значительная его часть и начинается гидролиз гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с выделением гидроксида кальция. По мере снижения концентрации СаО в растворе, соприкасающемся с цементным камнем, происходит гидролиз других гидратов, стабильное существование которых возможно только в растворах гидроксида кальция определенной концентрации.
Отличительная особенность гидроксида кальция - способность растворяться даже в дистиллированной воде при температуре 20С. Присутствие солей в растворе оказывает значительное влияние на его растворимость. Одноименные ионы: Са2+, ОН" снижают, а посторонние, как, например SO4 ", СГ, Na , К" повышают растворимость гидроксида кальция. Повышение растворимости гидроксида кальция и других составных частей бетона усиливает развитие деструктивных процессов и ускоряет разрушение бетона.
Таким образом, эксплуатационные свойства бетона в значительной степени с одной стороны определяются содержанием гидроксида кальция в бетоне, а с другой - фазовый состав бетона обусловливается параметрами ТВО. Следовательно, изучение физико-химических процессов, протекающих при тепловлажностной обработке, является основой получения высококачественных материалов, обладающих повышенной стойкостью к воздействию жидких агрессивных сред.
Применение определенных режимов влажностного и теплового воздействия на твердеющую систему позволяет направленно регулировать образование отдельных фаз новообразований бетона, обусловливающих долговечность материала в условиях воздействия агрессивных факторов. Поскольку основным компонентом бетона, определяющим его стойкость в жидких средах, является гидроксид кальция, то необходимо подобрать такой режим ТВО, при котором с одной стороны образуется как можно меньшее количество гидроксида кальция, но достаточное для обеспечения надежной работы бетонных конструкций, и с другой - обеспечить надлежащую прочность бетона.
Как отмечалось ранее (п.5.1), гидроксид кальция имеет самый высокий показатель растворимости в воде по сравнению с другими соединениями кальция в бетоне. Поэтому при действии воды на бетон вначале растворяется и выносится водой Са(ОН)2, что сопровождается нарушением его структуры и уменьшением плотности и прочности. Анализ литературных данных показал, что концентрация гидроксида кальция в пределах значений 1,05... 1,5 г/л является предельной, поскольку в таком интервале процесс гидролиза ново-образований бетона останавливается, а стойкость к воздействию жидких сред повышается.
В соответствии с этим проведено исследование изменения фазового состава бетона, твердевшего в нормальных условиях и в условиях воздействия повышенных температуры и влажности при атмосферном давлении. Исследование фазового состава новообразований в бетонах различных способов твердения проведено методом рентгенофазового анализа (п.2.3.2.1), а его результаты представлены на рис.5.2.
Для проведения испытаний использовались образцы стандартных размеров 100x100x100 мм и 40x40x160 мм, изготовленные из мелкозернистого бетона с водоцементным отношением 0,4 и цементно-песчаным отношением 1:3. Выбор указанного состава бетона, как уже отмечалось (п.4.2), обусловлен технологическими требованиями государственных стандартов на производство большинства бетонных конструкций, эксплуатируемых в жидких средах.
На рентгенограмме (рис.5.2а), соответствующей бетону, твердеющему в нормально-влажных условиях, фиксируются более интенсивные линии дифракции рентгеновского луча для негидратированных продуктов клинкерных минералов, чем на рентгенограмме (рис.5.26), относящейся к бетону, твердеющему в процессе тепловлажностной обработки. К таким линиям следует отнести наиболее характерные линии для C3S и C2S: 2,17, 2,73, 2,77, 3,03 А Одновременно отмечается большая интенсивность линий гидратированных фаз в случае твердения бетона при тепловлажностной обработке. Это хорошо иллюстрируется усилением линии 4,9 и 1,92 А, относящейся к Са(ОН)2, а также более четкой кристаллизацией гидроксилов C3SH (линия 1,96 и 2,28 А ) Данные рентгеновского анализа показывают, что продукты твердения бетона, подвергнутого ТВО, аналогичны продуктам, образующимся в материале нормального твердения в длительные сроки твердения.
Микродефекты структуры бетона в процессе ТВО
Эти данные (рис.5.6) позволяют заключить, что при действии на бетон водной среды темпы снижения прочности материала, имеющего в своем составе наибольшее количество гидроксида кальция и подвергнутого ТВ О, имеют близкие значения к снижению прочности бетона нормального твердения. При действии воды на бетон после тепловлажностной обработки по режиму 1, обусловливающего образование наименьшего количества Са(ОН)2, характеризуется повышенной водостойкостью и превышает таковую для пропаренного по режиму 9 - на 3,0.. .5%.
Анализ литературных данных показал, что нет четкой позиции в установлении зависимости эксплуатационных свойств бетона от интенсивности фазообразования в процессе ТВО. Кроме того, не изученным остается вопрос об интенсификации процессов выщелачивания гидроксида кальция, протекающих при колебании температуры окружающей среды. Для этого исследована кинетика изменения концентрации гидроксида кальция в бетоне, подвергнутого тепловлажностной обработке, при циклических процессах замораживания и оттаивания. Сущность проведенного нами подобного эксперимента заключается в том, что после соответствующего количества циклов замораживании и оттаивания исследуемые образцы пропаренного бетона помещались в 5-% раствор Na2S04, затем раствор титровали 0,1 н раствором HC1 для определения содержания СаО согласно методике, подробно описанной в п.2.3.2.3. Результаты этих исследований приведены в табл.5.2 и на рис.5.7.
Анализ приведенных экспериментальных данных показал, что наибольшие значения показателя морозостойкости пропаренного бетона наблюдалось при содержании Са(ОН)2 в пределах 1,1... 1,2 г/л. Увеличение сод ер 1. продолжительность изотермической выдержки в пределах 5... 6 ч.; 2. максимальная температуры ТВО, не превышающая значений 63.. .75С; 3. концентрация гидроксида кальция в бетоне 1,1... 1,2 г/л. Таким образом, регулирование режима тепловлажностной обработки позволяет производить бетонные изделия и конструкции с прогнозируемыми эксплуатационными свойствами. 1. Определено, что при тепловлажностной обработке с температурой изотермической выдержки в диапазоне 63...75С обеспечивается получение бетона с концентрацией гидроксида кальция в пределах значений 1,05... 1,5 г/л, что оказывает существенное влияние на повышение стойкости бетона во влажных средах. 2. Установлено, что при тепловлажностной обработке бетона в температурном интервале 63...75С кинетика фазовых превращений ускоряется в 1,2 раза по сравнению с нормальным режимом твердения, в температурном интервале 70...85С - в 1,24 раза. Увеличение температуры теплоносителя свыше 95С не способствует дальнейшему повышению скорости процессов фазообразования в бетоне. 3. Анализ экспериментальных данных показал, что наибольшие значения показателя морозостойкости пропаренного бетона достигается при содержании Са(ОН)2 в пределах 1,1... 1,2 г/л. Увеличение содержания гидроксида кальция в бетоне свыше 1,8...2,1 г/л в условиях одновременного воздействия воды и низких температур приводит к снижению морозостойкости на 15.. .20%. 4. Таким образом, для повышения эксплуатационных характеристик бетона необходимо ведение процесса тепловлажностной обработки при максимальной температуре, не превышающая значений 63...75С, и продолжительности изотермической выдержки в пределах 1. Использование оптической микроскопии и графического анализа поверхности микрошлифов с применением ЭВМ позволило установить, что ускоренное твердение при повышенной температуре и влажности способствует формированию структуры материала, характеризующейся сравнительно невысокой степенью однородности распределения пор ос=40...43%, наличием сообщающихся между собой пор X 0,22 и высокой концентрацией микротрещин, тогда как структура бетона нормального твердения отличается однородным строением а 50% и меньшим средним размером пор Х 0,18. 2. Определено, что получение материала повышенной стойкости во влажных средах достигается при концентрации гидроксида кальция в пределах значений 1,05... 1,5 г/л, что обеспечивается использованием режима ТВО с температурой изотермической выдержки в диапазоне 63.. .75С. 3. Установлено, что в температурном интервале 63...75С кинетика фазовых превращений ускоряется в 1,2 раза по сравнению с нормальным режимом твердения, в температурном интервале 70...85С - в 1,24 раза. Увеличение температуры теплоносителя свыше 9 5 С не способствует дальнейшему повышению скорости процессов фазообразования в бетоне.
