CC BY
78
УДК 691+691.3
МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРУКТУРУ БЕТОНА
Сандан А. С.
Тувинский государственный университет, Кызыл
THE METHODS OF HARDENING ACCELERATIONS OF CONCRETE AND THEIR EFFECTS ON THE STRUCTURE OF CONCRETE
Sandan A. S. Tuvin State University, Kyzyl
Рассмотрены изменения прочности, отпускная влажность бетона после тепловой обработки, исследуемого керамзитобетона и керамзитопенобетона.
Ключевые слова: Керамзитопенобетон, тепловая обработка, температура, прочность.
Durability changes, selling humidity of concrete after the thermal processing, investigated and ТП are considered.
Keywords: ceramsite-foam concrete, thermal processing, temperature, durability.
Как отмечает ряд ученых, любое тепловое воздействие на свежеуложенный бетон негативно влияет на его основные структурные и физико-механические показатели. Это следствие того, что бетонная смесь является многокомпонентной системой, и каждый компонент этой системы по-разному реагирует на температурное воздействие. В связи с этим необходимо провести анализ влияния способов ускоренного твердения на основные структурные показатели бетонов [1,2,3,4,5,6, 7, 8].
Большое влияние на качество структуры керамзитопенобетонов оказывает способ и режим теплового воздействия.
Наиболее распространенным способом интенсификации твердения бетона является паропрогрев бетона. Однако, анализ литературных источников показывает, что паропрогретые бетоны обладают более низкими показателями морозостойкости, водонепроницаемости и прочности по сравнению с бетонами нормальных условий твердения за счет ухудшения структуры цементного камня вследствие объемных деформаций, возникающих на ранней стадии твердения при нагревании бетона, а также за счет перемещения влаги в связи с температурными перепадами по сечению изделий. На начальной стадии паропрогрева миграция влаги происходит от наружных слоев к внутренним, по окончании теплового воздействия - от внутренних слоев к внешним, что приводит к направленной капиллярной пористости, ухудшающей ряд важнейших свойств бетона.
Вышерассмотренных недостатков, присущих паропрогреву, в некоторой степени лишен способ предварительного электроразогрева. Бетонную смесь перед укладкой в форму подвергают кратковременному интенсивному электроразогреву до температуры 70-80 °С. Последующее выдерживание бетона осуществляют по методу термоса до набора необходимой прочности.
Бетонную смесь можно подвергать кратковременному разогреву до высоких температур в процессе ее укладки в форму или опалубку. Это очень важное обстоятельство позволяет устранить нарушения структуры бетона из-за неравномерного расширения составляющих смеси в процессе разогрева. Быстрый разогрев бетонной смеси не приводит к существенной потере ее формовочных качеств.
О наличии более качественной структуры свидетельствует также изучение пористости бетона. В предварительно разогретом бетоне преобладают более мелкие поры, которых в 2-3 раза больше, чем в бетоне нормального твердения и в 4-6 раз больше, чем в паропрогретом бетоне. Крупных же пор в электроразогретом бетоне в 1,5 раза меньше, чем в бетоне нормального твердения и в 6 раз меньше, чем в паропрогретом бетоне. При этом поры носят преимущественно замкнутый характер [1, 2, 7]. Повышается их ранговость. Указанный характер пористости растворной части способствует повышению морозостойкости и уменьшению водонепроницаемости бетона.
Известно, что основные физико-механические показатели бетона зависят как от вещественного состава, так и от структурных особенностей. Структурные особенности в бетонах на пористых заполнителях существенно зависят от технологии приготовления и последующей интенсификации твердения бетонной смеси. При паропрогреве поток тепла идет от периферии к центру, наружные слои бетона начинают интенсивно набирать прочность в сравнении с центром бетона. Вследствие этой разности и повышения температуры от экзотермии цемента бетон, находящийся в центре, начинает негативным образом оказывать влияние (температурное расширение) на затвердевшие ранее наружные слои бетона, что в конечном итоге приводит к его трещиноватой поверхности. Трещины будут тем больше, чем больше будет разность температур между центром и периферией. При использовании предварительного электроразогрева бетонной смеси нежелательных температурных расширений бетона в период формирования структуры в горячем состоянии не происходит [6, 7].
Известно, что затвердевший керамзитобетон является капиллярно-пористым телом с наличием количества пустот и пор различных размеров и микротрещин. По разным источникам, открытая капиллярная пористость у керамзитобетонов составляет 3-8%. Часть пористости обуславливается пустотами и порами в зоне контакта цементного камня с заполнителем, а также пористостью цементного камня и порами керамзитового гравия.
Открытая капиллярная пористость оценивается величиной объемного водопоглощения и параметрами поровой структуры (ГОСТ 12730.4-78).
Принимая во внимания, что от структурной пористости в значительной мере зависят механические и теплофизические свойства материала, а так же учитывая, что на формирование поровой структуры большое влияние оказывает
способ тепловой обработки, одной из задач является изучение вопроса применительно к керамзитопенобетону, получаемому по технологии поэтапного внесения тепла, в том числе с использованием предварительного электроразогрева.
Таким образом, можно утверждать что, при использовании предварительного электроразогрева бетоны характеризуются повышенными физико-механическими показателями в сравнении с паропрогретыми бетонами и бетонами нормальных условий твердения (рис. 1.1).
В поисках более эффективных энергосберегающих технологий, с позиции формирования более качественной структуры в период теплового воздействия был предложен способ использования тепловой энергии остывающих искусственных пористых заполнителей (в частности керамзита).
Предложенная технология разработана Т.М. Штолем и О.Ш. Кикавой и основана на утилизации тепла остывающего керамзитового гравия для получения горячих керамзитобетонных смесей с последующим их формованием и выдерживанием по методу "термоса". Она является разновидностью технологии получения предварительно разогретых бетонных смесей. При введении горячего керамзита в смесь происходит быстрый разогрев за относительно короткий промежуток времени.
Ускорение твердения по этому методу достигается за счет отдачи тепла, аккумулированного керамзитом при обжиге, и тепла, выделяющегося при гидратации цемента. Объем замкнутых пор в керамзите колеблется в пределах 85-95% от общего объема пор. Горячий воздух, защемленный в капиллярах искусственных пористых заполнителей, объем капилляров, их строение, размер дают возможность рассматривать зерна заполнителей как микроаккумуляторы теплоты, равномерно распределенные в теле бетона.
Экспериментально установлено, что прочностные показатели керамзитобетона на горячем керамзите при сжатии возрастают на 10 - 15 %, а при растяжении на 15 - 20 % в сравнении с керамзитобетоном нормальных условий твердения, что объясняется нестандартными условиями тепло- и массообмена и повышением вакуумирующей способности горячего керамзита [8].
Таким образом, установлено, что при использовании горячего керамзита, вследствие нехарактерных для обычных условий особенностей тепло- и массообменных процессов, вокруг зерен остывающего керамзита образуются каемки-оболочки с повышенными прочностными показателями, толщина которых существенно превышает толщину соответствующих контактных зон на холодном заполнителе. Образование вокруг гранул остывающего керамзита такой зоны способствует также более прочной цементации керамзитовых гранул в бетоне, обеспечивая тем самым повышение прочностных свойств керамзитобетона в целом.
Структурные характеристики таких бетонов практически не изучены.
Кроме экономии энергоресурсов, рассмотренные выше технологии с использованием горячего керамзита обеспечивают повышенные физико-механические свойства керамзитобетонов. Одним из определяющих факторов при этом является кардинальное различие в протекании тепло- массообменных процессов, проходящих между остывающим керамзитом и растворной составляющей бетона.
Поризованный легкий бетон является сложным композиционным капиллярно-пористым материалом, на свойства которого оказывают определенное воздействие характер структуры.
Как видно из вышеизложенного, массовое производство керамзитобетона осуществляется, как правило, в условиях заводского производства.
Имеется определенный опыт возведения монолитных зданий из керамзитобетона, например, в г. Тосно Ленинградской области в середине 90-х годов возведено несколько 5-этажных жилых домов, наружные стены которых выполнены из керамзитобетона. В г. Тюмени возводились 9-этажные жилые дома с наружным ограждением из монолитного керамзитобетона.
Обобщение производственного опыта устройства монолитных конструкций из керамзитобетона позволило выявить существенный технологический недостаток, а именно в процессе вибрационного уплотнения в ряде случаев наблюдалось расслоение смесей. Более легкие зерна керамзитового гравия всплывали, а более тяжелый раствор оседал.
Указанный технологический недостаток приводил к ухудшению теплозащитных свойств отельных участков стенового ограждения.
Монолитный газобетон в условиях стройплощадки практически не применяется. В 50-х годах использование монолитного газобетона отмечалось в США. Быстрое твердение обеспечивалось за счет высоких температур реакции (до 95 °С) между алюминиевой пудрой и содой.
Из вышеизложенного видно, что производство изделий из поризованного керамзитобетона в основном осуществляется в заводских условиях с последующим монтажом на стройплощадке. Это обусловлено существующими традициями, сложностью технологии и отсутствием оборудования, позволяющего расширить сферы изготовления и применения поризованного керамзитобетона в условиях стройплощадки. В то же время, анализ технологий производства ячеистых бетонов и изменяющаяся конъюктура их рынка свидетельствуют о возможности и необходимости поиска получения керамзитопенобетонов в построечных условиях.
Поризация растворной составляющей позволяет не только улучшить теплотехнические свойства керамзитопенобетона как ограждающей конструкции, но и повысить технологичность в процессе укладки керамзитопенобетона в опалубку, т.к. сводится к минимуму разница плотности раствора между поризованной растворной составляющей и плотностью керамзитового гравия. Это в свою очередь сводит к минимуму опасность расслоения керамзитопенобетонной смеси при ее укладке.
Процесс получения керамзитопенобетона является более технологичным и может применяться на строительных объектах.
Для получения поризованного легкого бетона высокого качества необходимо оптимизировать его структуру. Под оптимальной понимают структуру, которая обеспечивает получение необходимых физико-технических свойств изделий, изготовленных при минимальных затратах энергетических и материальных ресурсов.
И.А. Рыбьев, изучая общие законы формирования структуры в связи с фазовым состоянием материала, сформулировал законы формирования свойств искусственных строительных материалов с конгломератной структурой. Выявленные им законы, вероятно, действительны и для легкого бетона с поризованной растворной частью. Он показал, что оптимальные структуры характеризуются экстремальным значением свойств, закономерным изменением фазового состава материала.
Особенностью структуры легкого бетона с поризованной растворной частью является то, что и заполнитель и растворная часть в бетоне являются ячеистопористыми телами.
Это приводит к влагообмену между сухим пористым заполнителем и окружающей оболочкой из композиционной поризованной цементно-песчаной массы, что обуславливает снижение устойчивости последней, повышенное сцепление крупного пористого заполнителя с растворной частью.
Основой структурной теории бетонов является положение о том, что все свойства бетонов, изготовленных с равным истинным водоцементным отношением и при одинаковой концентрации цементного камня в бетоне, сопоставимы.
Однако, по нашему мнению, перенести полностью это положение структурной теории бетонов на легкий бетон с поризованной растворной частью нельзя, так как свойства поризованной растворной части в большей степени зависят от характера ячеистой пористости на которую в свою очередь влияют технологические факторы.
Обобщение влияния физико-механических свойств компонентов легкого бетона на его прочностные свойства, сделанное Ахвердовым И.П., Вагановым А.П., Ивановым И.А., Корниловичем Ю.Е., Житкевичем Р.К. и другими, позволяет определить следующий механизм разрушения легкого бетона. В зависимости от соотношения прочностей, модулей деформации и объема компонентов бетона разрушение может начаться по раствору или по заполнителю в зависимости от того, прочность какого компонента будет исчерпана раньше под действием локальных концентраций напряжений.
В зависимости от прочности растворной части и прочности крупного заполнителя используемая в бетоне прочность его компонентов может меняться в значительных пределах. Наиболее желательно с позиции прочности, деформативности и трещинообразования такое структурное состояние его компонентов, при котором модули упругости и прочности растворной составляющей и крупного заполнителя близки.
Таким образом, воздушные ячейки в поризованном цементном камне можно рассматривать как замкнутые сферические пузырьки воздуха различного диаметра, оказывающие особое влияние на прочность, капиллярное всасывание, водопоглощение, стойкость и другие свойства бетона.
Введение керамзитового гравия в поризованное цементное тесто меняет картин}' распределения пор в бетоне. Способность пористого заполнителя поглощать воду позволяет рассматривать крупный пористый заполнитель как компонент, регулирующий структуру поризованного цементирующего вещества.
Таким образом, поризация является одним из средств регулирования структуры и свойств керамзитобетона. Анализ взаимосвязи структурных элементов и свойств легкого бетона слитного строения позволил определить направление улучшения структуры легкого бетона с поризованной растворной частью с учетом влияния технологических факторов.
Выводы о технологии, структуре и свойствах керамзитопенобетона позволили разработать структур но-логическую схему взаимосвязи эксплуатационных, структурных и технологических параметров керамзитобетона с поризованной растворной частью, которая представлена на рис. 1.
140-120-
pS
В 100~
а
g 80-
к &
5 so-
н о
S 40-о № С 20-
0
Рис. 1. Прочность керамзитобетона в 28-ми суточном возрасте с использованием различных способов ускоренного твердения.
1- нормальное твердение; 2 - паропрогрев;
3- предварительный > [ек'[рор;г;офй|;:
4- приготовление бетонной смеси с йспользованием горянего керамзита
Таким образом, опыт получения керамзитопенобетона в заводских условиях следует рассматривать как основу разработки получения пенобетона в построечных условиях с учетом спецификации этих условий. Важнейшей особенностью получения керамзитопенобетона в условиях строительной площадки является необходимость использования методов зимнего бетонирования, ускорения твердения и уменьшения усадки.
Библиографический список
1. Арбеньев A.C. Технология бетонирования с электроразогревом смеси / A.C. Арбеньев. -М: Стройиздат, 1975. 145 с.
2. Ваганов А.И. Исследование свойств керамзитобетона / А.И. Ваганов. - Л.; ML: Госстройиздат, 1960. 64 с.
3. Грязев P.M. Влияние предварительного пароразогрева бетонной смеси на свойства керамзитобетона и фактурного слоя / P.M. Грязев и др. // Бетон и железобетон. - 1976. № 11. С. 20-21.
ш
1 2: 3 4
4. Дмитрович А.Д. Тепломассообмен при твердении бетона в паровой среде / А.Д. Дмитрович. -М.: Стройиздат, 1967. 244 с.
5. Комохов П.Г. Зимнее бетонирование с электроразогревом / П.Г. Комохов, A.C. Арбеньев. -М.: Спецстройиздат, 1970. 102 с.
6. Миронов С.А. Вопросы общей технологии и ускорения твердения бетона / С.А. Миронов; НИИЖБ, - М.; 1970. 224 с.
7. Штоль, Т.М. Технология керамзитобетонных изделий на горячем заполнителе / Т.М. Штоль, О.Ш. Кикава. -М: Стройиздат, 1986. 130 с.
Bibliograflcheskij spisok
1. Arbenev A.S. Tekhnologiya betonirovaniya s elektrorazogrevom smesi / A.S. Arbenev. - M: Strojizdat, 1975. 145 s.
2. Vaganov A.I. Issledovanie svojstv keramzitobetona/ a.i. vaganov. - L.; M.: Gosstrojizdat, 1960.
64 s.
3. Gryazev P.M. Vliyanie predvaritelnogo parorazogreva betonnoj smesi na svojstva keramzitobetona i fakturnogo sloya/R.M. Gryazev i dr. //Beton i zhelezobeton. - 1976. № 11. s. 20-21.
4. Dmitrovich A.D. teplomassoobmen pri tverdenii betona v parovoj srede / a.d. dmitrovich. - m.: strojizdat, 1967. 244 s.
5. Komokhov P.G. Zimnee betonirovanie s elektrorazogrevom / P.G. Komokhov, A.S. Arbenev. -M.: Spetsstrojizdat, 1970. 102 s.
6. Mironov S.A. Voprosy obschej tekhnologii i uskoreniya tverdeniya betona / S.A. Mironov; NIIZHB, - M.; 1970. 224 s.
7. Shtol T.M. Tekhnologiya keramzitobetonnykh izdelij na goryachem zapolnitele / T.M. Shtol, O.Sh. Kikava. - M: Strojizdat, 1986. 130 s.
Сандан Айлана Сергеевна - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Обще инженерных дисциплин", Тувинский государственный университет, Кызыл, E-mail: [email protected]
Sandan Ailana - PhD, Senior Lecturer knavery engineering disciplines "Tuvin State University, Kyzyl, E-mail: [email protected]
