На процесс твердения бетона

Рис. 6.7. Влияние условий хранения на нарастание прочности бетона [4]: 1 - постоянно водное хранение; 2 - постоянно воздушное хранение; воздушное хране­ние после начального водного хранения: 3 - 3 сут; 4 - 7 сут; 5 - 14 сут; 6 - 28 сут

При возведении монолитных конструкций на строительной площад­ке бетон твердеет в условиях, которые зависят от времени года и климати­ческих особенностей местности. На набор прочности бетоном большое влияние оказывают температурно-влажностные условия твердения. Сни­жение влажности воздуха вызывает испарение воды с поверхности отфор­мованного бетонного изделия, что приводит к появлению усадочных тре­щин, обезвоживанию бетона, прекращению набора прочности в условиях дефицита воды (рис. 6.7) и формированию дефектной, водопроницаемой структуры. Поэтому бетон необходимо выдержать во влажном состоянии при нормальных условиях температура (20 ± 3) °С, влажность (95 ± 5) % не менее 7 суток после бетонирования, а при высоких температурах тверде­ния до достижения 50 - 70 % нормируемой прочности.

Снижение температуры твердения, что имеет место при производстве бетонных работ в осенне-весенний период вследствие уменьшения химиче­ской активности воды затормаживает процесс набора прочности (рис. 6.8), что в большей степени характерно для пуццоланового портландцемента и шлакопортландцемента, содержащих большое количество минеральных добавок.

Установлено, что при понижении температуры до отрицательной (- 5 °С) твердение бетона очень замедленно продолжается за счет незамер­зающей воды, которая содержится в мельчайших порах (см. рис. 6.8). Дальнейшее понижение температуры до - 10 °С и ниже прекращает про­цесс гидратации. Последующее нарастание прочности при оттаивании бе­тона и набор нормируемой прочности зависят от происшедших структур­ных изменений в бетоне. Если замораживание наступило сразу после ук­ладки бетона в конструкцию, то дальнейшее повышение температуры при­водит к оттаиванию бетона и набору им заданной прочности. Если бетон замерз после набора той «критической» прочности, когда сформировав­шаяся структура бетона уже способна к восприятию без разрушения дав­ления замерзающей воды, то потери конечной прочности будут малы. Зна­чительный недобор прочности (30 - 40 %) может иметь место только при условии замораживания бетона на стадии формирования структуры, когда напряжения, возникающие от давления льда вследствие увеличения его объема по отношению к воде на 9 % выше, чем прочность контактов меж­ду кристаллическими продуктами гидратации. Происшедшие разрушения не восстанавливаются при последующем твердении в условиях положи­тельных температур, что и влечет за собой формирование дефектной структуры с низкой прочностью.

Рис. 6.8. Нарастание прочности бетона на портландцементе в зависимости от температуры твердения [14]

Для набора «критической» прочности, которая составляет в зави­симости от класса бетона 25 - 50 %, применяют комплекс мер: использо­вание высокоэффективных быстротвердеющих портландцементов; сниже­ние расхода воды затворения; введение специальных противоморозных добавок, обеспечивающих гидратацию вяжущего за счет понижения тем­пературы замерзания раствора; теплоизоляцию поверхности свежеуло- женного бетона, приготовленного на подогретых заполнителях и воде или с применением противоморозных добавок (метод термоса), а также тепло­вую обработку с использованием энергии пара, нагретого воздуха или электрического тока. Тепловую обработку применяют и при нормальных условиях твердения, когда хотят получить заданную прочность бетона в более короткий срок. Именно этот технологический прием используют при получении сборного железобетона на заводах. Наибольшее распро­странение получили следующие методы: термовлажностная обработка при нормальном и повышенном давлениях, электропрогрев и гелиообработка.

Термовлажностную обработку (ТВО) при обычном давлении про­водят с использованием специальных герметичных камер, режим работы которых предусматривает повышение температуры до 70 - 95 °С в усло­виях насыщенного пара. Весь процесс можно разделить на четыре основ­ных этапа: предварительная выдержка бетона до начала схватывания; медленный подъем температуры до максимальной заданной; выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение бетонных изделий. Первый этап может составлять от 1,5 до 3,5 часов и зависит от жесткости смеси, вида применяемого цемента и добавок. Так как его про­должительность фактически определяется сроками схватывания и струк- турообразования, то следовательно при использовании более активных цементов, смесей с малым водосодержанием и добавками ускорителями выдержка минимальна. Применение шлако- и пуццоланового портландце­мента, пластичных смесей и добавок пластификаторов, несколько замед­ляющих процесс гидратации цемента в первые часы контакта вяжущего с водой, требует удлинения этого периода.

Второй этап - подъем температуры характеризуется показателями скорости, которая может составлять от 10 до 30 ^оС/ч. Чем раньше бетон приобретет минимальную структурную прочность, способную противо­стоять давлению пара и газообразных продуктов, тем больше может быть скорость подъема температуры. Следовательно, продолжительность этого периода тесно связана с предыдущим. При наличии факторов, обусловли­вающих сокращение времени выдержки, скорость подъема температуры может составлять 30 ^оС/ч. Максимальная температура зависит от активно­сти портландцемента (рис. 6.9) и составляет для высокоактивного быст- ротвердеющего портландцемента 50 - 60 ^оС, рядового - 70 - 80 ^оС, шлако- и пуццоланового - 85 - 90 ^оС. Время изотермии определяется заданной за­казчиком прочностью бетона после ТВО, которая, как правило, составляет 50 - 70 % нормируемой. В отдельных случаях, когда строителями преду­сматривается нагружение конструкции расчетной проектной нагрузкой, отпускная прочность соответствует нормируемой - 100 % R₂₈. Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает перепад температуры и влажности, вызывающий перемещение воды и пара в еще непрочном бе­тоне, приводящее к разрыхлению структуры. Поэтому ускорение набора прочности бетоном с использованием ТВО обусловливает формирование более дефектной структуры по сравнению с бетоном, твердевшим в нор­мальных температурно-влажностных условиях. Как следствие, это ведет к снижению его водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости. Для исключения влагопотерь с поверхности бетонных изделий при ТВО необходимо использовать рулонные пароизоляционные материа­лы (полимерные пленки, прорезиненную ткань, рубероид и т.д.), пленко­образующие составы (латексные, водные эмульсии синтетических каучу- ков), наносимые распылением на поверхность свежеотформованного бе­тона, иди добавки депрессоры испарения (высшие жирные спирты). Их защитное использование позволяет проводить термообработку продукта­ми сгорания природного газа без ухудшения свойств бетона.

Рис. 6.9. Кривые нарастающей прочности бетона при пропаривании: а - для портландцемента; б - для шлакопортландцемента [1]

Уменьшить продолжительность ТВО на 3 - 6 часов и снизить энерго­емкость процесса можно путем совмещения интенсивного механического и теплового воздействия на бетон. Применение в период структурообразова- ния механических воздействий (динамометрическая обработка) способст­вует ускорению набора прочности и повышению плотности бетона. Меха­ническое давление на твердеющую смесь, составляющее 10 - 70 г/см², по рекомендации НИИЖБа может создаваться специальным пригрузом, же­сткой крышкой форм, пакетированием изделий или избыточным давлени­ем пара в камере. Один из путей снижения энергозатрат при ТО - приме­нение комплексных добавок, состоящих из ускорителей и суперпластифи­каторов. Основной эффект последних связан с возможностью снижения расхода воды при сохранении заданной пластичности самого теплоемкого компонента бетонной смеси на 20 % и более. Применение этих добавок позволяет не только снизить температуру изотермии, но и отказаться от использования бездобавочных (клинкерных) энергоемких цементов при получении бетонов прочности 60 - 70 МПа, а также уменьшить в 3 - 5 раз продолжительность и интенсивность виброуплотнения.

Повышение температуры ТВО свыше 100 °С еще в большей степени ускоряет процесс твердения бетона. Так как гидратация минерального вя­жущего может протекать только в присутствии воды, то с целью преду­преждения ее вскипания и испарения этот вид термообработки проводят при повышенном давлении. Запаривают бетон в специальных герметичных камерах - автоклавах. Помимо ускорения твердения запаривание приводит к дополнительному образованию кристаллических соединений, повы­шающих прочность бетона до 50 - 100 МПа. По автоклавной технологии получают цементные изделия, а также силикатные кирпичи и бетоны, в которых в качестве вяжущего используют тонкомолотую смесь, состоя­щую из гашеной или негашеной извести и кремнезема. Полный цикл авто­клавной обработки состоит из пяти этапов: впуск пара и постепенный на­грев до 100 °С; повышение температуры и давления пара до максимальных значений - соответственно 175 - 203 °С и 0,8 - 1,6 МПа; затем выдержи­вание изделий при заданных температуре и давлении; снижение давления до нормального и температуры до 100 °С и пятый - остывание изделий до температуры окружающей среды.

В качестве источника тепла при производстве сборного железобето­на и при зимнем бетонировании монолитных конструкций используют также энергию электрического тока. Электропрогрев бетона может быть осуществлен или за счет прохождения электрического тока по металличе­ской форме и арматуре и перехода электрической энергии вследствие вы­сокого электросопротивления стали в тепловую, или через свежеуложен- ный бетон между двумя электродами. В этом случае разогрев бетона обу­словлен высоким электросопротивлением свежеуложенной смеси, содер­жащей жидкую фазу, насыщенную электролитами.

В летний период сложность получения качественного бетона с за­данными свойствами связана с тем, что, во-первых, при перевозке бетона вследствие ускорения процесса гидратации наблюдается быстрое загусте- вание бетонной смеси, сопровождаемое потерей ее подвижности, и, во- вторых, высокая температура и низкая влажность воздуха вызывают ин­тенсивное испарение воды с поверхности отформованных изделий. По­следнее приводит к появлению усадочных трещин и формированию не­прочного поверхностного слоя. Поэтому перевоз бетонной смеси осущест­вляют в специально оборудованных самосвалах с укрытием бетонной по­верхности пленочными материалами или в бетоновозах. Для удлинения времени схватывания вводят добавки - замедлители твердения или часть воды заменяют льдом. При приготовлении и укладке бетонной смеси на месте процесс твердения ускоряют, чтобы бетон успел набрать прочность до испарения воды путем введения добавок - ускорителей твердения или применения быстротвердеющего портландцемента. Поверхность бетона после схватывания покрывают слоем мокрого песка или опилок с после­дующей защитой их воздухо- и влагонепроницаемым пленочным материа­лом до набора бетоном 50 - 70 % нормируемой прочности.

В практику строительства все шире внедряют гелиотермообработку железобетонных изделий, при которой в качестве теплоносителя исполь­зуют солнечную энергию. Для этого применяют или гелиоформы, фокуси­рующие энергию солнца, или специальные пленочные покрытия черного цвета. Интенсифицировать этот процесс можно также за счет комплексно­го использования энергии солнца в сочетании с быстротвердеющим це­ментом и добавками - ускорителями твердения.