Влияние процесса тепловлажностной обработки на структурообразование бетона

Тепловлажностная обработка (ТВО) - процесс одновременного воздействия на твердеющий бетон тепла и влаги. ТВО ускоряет процесс твердения бетона, что позволяет использовать изделия и конструкции на более ранних сроках. Твердение бетонных изделий может происходить в естественных условиях при нормальной температуре или в условиях тепловой обработки (искусственные условия твердения). Тепловая обработка позволяет ускорить твердение бетонной смеси. Тепло может быть получено от сжигания угля (в исключительных случаях), жидкого топлива, горячих газов или от электроэнергии. Наиболее часто в качестве теплоносителя используют воздух, горячую воду или пар, которые подаются в закрытые камеры.

а) пропаривание изделий при нормальном давлении (при температуре 60100° С); б) запаривание изделий в автоклавах, насыщенным водяным паром при давлении 913 атм. и температуре ° С; в) контактный обогрев изделий; г) электропрогрев путем пропускания электрического тока через толщу бетона; д) обогрев бетона инфракрасными лучами. В настоящее время применяют следующие виды тепловой обработки:

Тепловлажностная обработка

Кроме того, сейчас исследуется горячее формование, при котором бетонную смесь перед укладкой в форму в течение 812 мин разогревают электрическим током или водяным паром до температуры 75 85° С и выдерживают затем в форме в условиях термоса 46 ч. Для формирования структуры бетона, как уже отмечалось, особенно важными являются влажностные условия твердения, поэтому во многих случаях следует отдать предпочтение именно тепловлажностной обработке (ТВО) бетонных изделий (пропариванию и запариванию). Тепловлажностную обработку изделий в пропарочной камере для бетона проводят до достижения бетоном прочности около 70% от проектной, что позволяет сразу же после ТВО транспортировать и использовать изделия. Пропаривание при нормальном давлении производят в камерах периодического или непрерывного действия. Такой способ ТВО является наиболее экономичным способом тепловой обработки. Отформованные изделия, находящиеся в формах или на поддонах, загружают в камеру в несколько рядов по высоте, после чего камеру закрывают, препятствуя потере тепла и пара. Пар в камеру подается из парогенератора постоянно или периодически - в зависимости от установленного режима пропаривания. При этом изделия прогреваются по всему объему и выдерживаются при этой температуре 68 ч, после чего постепенно охлаждаются. Продолжительность пропаривания зависит от состава бетона и свойства цемента и составляет, как правило, до 20 ч для пластичных бетонных смесей и до 48 ч для жестких. Применение быстротвердеющих цементов позволяет сократить продолжительность изотермической выдержки (при более низкой температуре прогрева) и уменьшить общее время пропаривания. Изделия из легких бетонов вследствие их меньшей теплопроводности требуют более продолжительного времени тепловой обработки. Тепловлажностная обработка оказывает существенное влияние на конечную прочность бетона. Следует отметить что, такие факторы, как длительность предварительной выдержки, водоцементное отношение, удобоукладываемость бетонной смеси, вид цемента должны всегда учитываться при назначении режима тепловой обработки.

Качество и долговечность 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. Известно, что 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 долговечности бетона. В этой связи 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. Структурообразование в твердеющем бетоне при тепловой обработке является комплексным процессом. Повышение температуры интенсифицирует процессы твердения, что приводит к упрочнению структуры. Однако повышение температуры приводит также к усилению деструктивных процессов, так как к происходящим контракционным явлениям добавляются температурно-влажностные деформации [1]. В период нагрева совместным воздействием миграции влаги и температурных перепадов в объеме изделий образуются дефекты структуры, которые фиксиру­ются физико-химическими процессами твердения в период изотермической выдержки.

Физико-химические процессы, проходящие в бетоне при тепловлажностной обработке Твердение бетона заключительный этап изготов­ления искусственного камня капиллярно-пористой струк­туры из вяжущего, крупного и мелкого заполнителя и воды. При затворении смеси водой вяжущее вступает в химические реакции гидратации, проходя последовательно стадии формирования пространственного каркаса коллоидной структуры, индукционного периода, формирования, а затем упрочнения конденсационно-кристаллизационной структуры. Уже в начальной стадии процесса гидратации вяжущего (цемента) происходит быстрое взаимодействие трехкальциевого силиката ЗСаО Si02 (элита C3S) и воды с образованием гидро­силиката кальция и гидроксида. Трехкальциевый алю­минат ЗСаО А 12 О 3 представляет самую активную фазу среди клинкерных минералов: немедленно после сопри­косновения С3А с водой на поверхности непрореагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных алюмогидратов в виде тонких гексагональных пластинок. Рыхлая структура гидроалюминатов ухуд­шает прочностные и эксплуатационные свойства бетонов. Двухкальциевый силикат-белит 2СаО SiО 2 (C 2 S) гидратируется медленнее элита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше гидроксида Са (ОН) 2. Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО А × Fe (C 4 AF) при взаимодействии с водой расщепля­ется на алюмогидрид и гидроферрит. Первичная структура представляет собой малопроч­ный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации; к концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, ко­торое превращается в цементный камень. Цементный камень, являющийся минеральным клеем, скрепляю­щим зерна заполнителя, должен обладать достаточной прочностью и адгезией, хорошо сцепляться с зернами заполнителя. Эти свойства зависят от степени гидрата­ции цемента, количества и качества новообразований, объема и характера пор. Активным элементом структуры цементного камня, участвующим в образовании гидратных соединений и фор­мировании пор, является вода. Пористость цементного камня зависит от начального водоцементного отношения, а также от форм связи воды с твердой фазой. Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодей­ствия цемента с водой образуются «внутренние» продук­ты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние», заполняющие про­странство, первоначально занятое водой. Внутренний гидросиликат, получающийся в результате непосред­ственного присоединения воды к твердой фазе элита и белита, имеет тонкую и плотную структуру. Внешние продукты гидратации образуются вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросили­ ката, крупных кристаллов гидроксида и эттрингита. Гидратация цемента относится к химическим реакци­ям, проходящим с экзотермическим эффектом, т. е. с выделением теплоты. Тепловыделение цементов зави­сит от минералогического состава и активности вяжуще­го, тонкости помола, водоцементного отношения, усло­вий и длительности твердения.

Эффективными следует считать режимы тепловой об­работки, которые позволяют получать бетон заданной прочности без существенных нарушений его структуры при минимальных удельных расходах вяжущего и теп­ловой энергии. В общем виде полный цикл тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий состоит из следующих периодов (рис. 14, а): предварительного вы­держивания τ пред ; нагрева изделия τ I ; изотермического выдерживания τ II ; охлаждения τ III. Выбор рациональных режимов тепловой обработки основывается на полной увязке множества технологи­ческих и теплотехнических факторов. Длительность предварительного выдерживания, скорость нагрева, тем­пература и продолжительность изотермического выдер­живания и т. д. зависят от характеристик материала, условий эксплуатации изделия, конструкций тепловых установок.

Выбор вида и режима тепловой обработки следует производить с учетом влияния вяжущего. Так, для бе­тонов на высокоактивных вяжущих марки М400 и выше рекомендуется паропрогрев при температуре °С при относительной влажности среды %; для бе­тонов на низкомарочных портландцементах, шлакопортландцементе и пуццолановых портландцементах тепловая обработка эффективна при температурах °С; для цементов, содержащих тонкомолотые кремнеземис­тые компоненты (например кварцевый песок), обработку проводят при повышенных давлениях и температурах °С. Для изделий из пластифицированных и гидрофоб­ных цементов допускается тепловая обработка по мяг­ким режимам с небольшой скоростью подъема темпера­туры после экспериментальной проверки в условиях, соответствующих производственным. Тепловая обработ­ка бетонных изделий на глиноземистом цементе вообще не допустима. Изделия из шлакощелочного бетона толщиной до 20 см на растворимых силикатных с силикатным моду­лем Мc = допускается обрабатывать последующе­му режиму: предварительное выдерживание 2 ч, подъем температуры до 80 ± 5 °С 3 ч, снижение тем­пературы 3 ч. Изделия толщиной более 20 см на содощелочном плаве, кальцинированной соде, растворимом силикате натрия с модулем 2 < M G < 3 рекомендуется обрабатывать по режиму ; на раствори­мых силикатах натрия с М с 2 предварительное выдерживание не менее 2 ч. Прогрев по ступенчатому режиму с промежуточным выдерживанием при температуре °С приводит к улучшению деформационных характеристик бетона. Важнейшими показателями, определяющими как ре­жимы изготовления изделий, так и их эксплуатационные свойства, являются теплофизические свойства бетонов (табл. 5.1).

Материалы Крупнопористый бетон БетонБетон с каменным щебнем

Состав бетона? Готовая бетонная смесь, она же товарный бетон - подвижный состав из четырёх основных компонентов, замешиваемых в определенной пропорции: цемент, щебень, песок, вода.

Твердение бетона в условиях тепловлажностной обработки