Глава 3: «Ускорение твердения бетона железобетонных конструкций»

Раздел 7 Тепловая обработка

7.1 Значение ускорения твердения бетона на заводах жби и

современные способы ускорения твердения бетона…………….……..248

7.2 Особенности твердения и структурообразования бетона

при тепловлажностной обработке……………………………..………….258

7.3 Разновидности режимов тепловлажностной обработки………...…263

7.4 Влияние вида и минералогического состава цемента на выбор

режимов тво. Активность цемента при пропаривании. ……………….266

7.5 Камеры тво периодического действия. Требования к

современным ямным камерам. …………………………………………..….270

7.6 Разновидности ямных камер (гидроаэроциркуляционные, в

продуктах сгорания газа, с электропарообогревом, с

регулированием влажности и в среде водного аэрозоля) …………….273

7.7 Расчёт потребности в камерах периодического действия…………...281

7.8 Назначение отдельных этапов режима тво в камерах

периодического действия……………………………………………..…..…283

7.9 Особенности режимов тепловой обработки жби из

конструкционно-теплоизоляционного лёгкого бетона………………..293

7.10 Разновидности и особенности тепловой обработки

в камерах непрерывного действия………………………….……………..299

7.11 Интенсификация тепловой обработки изделий в кассетных

машинах……………………………………………………………….………302

7.12 Бескамерная тепловая обработка железобетонных

изделий, особенности тво изделий в термоформах………………….305

7.13 Автоклавная обработка жби……………………………………..……..309

7.14 Особенности тепловой обработки преднапряжённых жби и

из бетона с нормируемыми показателями

по морозостойкости………………………………………………………..313

7.15 Организация, контроль и регулирование режимов тво.

Особенности контроля прочности бетона при

тепловой обработке……………………………………………………..…317

Твердение бетона является самым длительным переделом в технологии сборного и монолитного железобетона, определяет оборачиваемость форм и опалубки, количество производственных площадей и тепловых агрегатов при производстве сборного железобетона и в значительной мере влияет на стоимость продукции.

При расчёте и контроле качества железобетонных конструкций определяют классы бетона по прочности, которые обычно определяют через 28 суток нормального твердения (температура воздуха 20 + 2 ^оС, относительная влажность воздуха не менее 95 %). Этот возраст и условия твердения выявляют гидравлическую активность массовых видов цементов и других вяжущих и бетонов на их основе и являются эталонными. По отношению к этим условиям судят о кинетике твердения бетонов в разные сроки и при воздействии различных технологических приёмов и параметров окружающей среды на темпы твердения и прочностные свойства бетонов.

Наряду с проектной прочностью назначаются в проектной и нормативной документации распалубочная, передаточная и отпускная прочности, составляющие часть проектной прочности. Они достигаются в более короткие сроки твердения и на их значения ориентируется технологический процесс сборного и монолитного железобетона при условии достижения полной проектной прочности в 28-суточном возрасте. Скорость твердения бетонов определяются главным образом активностью вяжущего, величиной В/Ц, качеством заполнителей и удобоуладываемо-стью бетонной смеси (жёсткие бетонные смеси твердеют быстрее).

Твердение бетона – весьма ответственный и продолжительный процесс, определяющий длительность изготовления сборных железобетонных изделий на заводах и полигонах и их себестоимость. При использовании портландцементов бетон в нормальных условиях твердения набирает распалубочную прочность около 50% от марочной через 3-5 суток, а отпускную, составляющую не менее 70 % от марочной – через 7-10 суток, если же требуется отпускная прочность более 70 % (в зимнее время и для некоторых изделий – сваи, шпалы), то выдержка будет достигать 20…28 суток. Такая длительная выдержка экономически не приемлема, так как для её осуществления требуются большие производственные площади и большое количество металлоёмких форм. Даже при искусственном ускорении твердения бетона изделий продолжительность вызревания изделий на заводах ЖБИ составляет до 90 % от общего времени, затраченного на осуществление всех производственных операций. Поэтому, ускорение твердения бетона при высоком качестве железобетонных изделий и конструкций и снижении их себестоимости является одной из основных задач технолога на предприятиях сборного железобетона. Продолжительность ускоренного твердения зависит от качества применяемых материалов, активности цемента, в том числе и при тепловой обработке, удобоукладываемости бетонной смеси и способа её уплотнения, В/Ц и др. Поэтому все операции изготовления жби должны быть организованы и рассмотрены в едином технологическом комплексе. Ускорение твердения бетона влияет на сроки строительства и возведения монолитных и сборно-монолитных конструкций.

Особое значение ускорение твердения бетона приобретает в зимних условиях, при которых должны обязательно применяться специальные методы зимнего бетонирования как прогревные, так и беспрогревные.

Современные способы ускорения твердения бетона при изготовлении сборных и монолитных изделий и конструкций условно делятся на три группы:

• Тепловые,

• Технологические,

• Химические.

В настоящее время для ускорения твердения бетона при изготовлении сборного и монолитного железобетона часто применяется тепловая обработка, основой которой является повышение скорости химических реакций в 2 раза с увеличением температуры на 10 ^оС. Так как твердение бетона обусловлено химической реакцией гидратации цемента, то повышение температуры без удаления влаги из бетона обеспечивает его ускоренное твердении. На заводах сборного железобетона применяется тепловая обработка преимущественно при температуре менее 100 ^оС в воздушной среде повышенной влажности для предотвращения высушивания бетона (пропаривание). Тепловая обработка при температуре до 190 ^оС при избыточном давлении до 1,2 МПа в паровой среде (запаривание) широко используется при изготовлении изделий из тяжёлого, лёгкого или ячеистого силикатного бетона.

Методы тепловой обработки совершенствуются с целью сокращения продолжительности изготовления качественных железобетонных изделий и уменьшения расхода тепловой энергии. Благодаря сокращению продолжительности тепловой обработки на заводах жби сокращается цикл оборота форм и снижается их количество, то есть металлоёмкость производства, уменьшается количество установок для тепловой обработки, а, следовательно, и затраты на оборудование и его амортизацию. Это способствует снижению себестоимости изготовления жби и повышению их конкурентоспособности.

Прогресс тепловлажностной обработки сборного железобетона осуществляется по следующим направлениям:

- применение эффективных высокоактивных быстротвердеющих цементов,

- внедрение термосных режимов, то есть хорошей теплоизоляции тепловых агрегатов, уменьшение тепловых потерь, вторичное использование теплоносителя,

- использование тепловых установок, работающих при небольшом избыточном давлении,

- многостадийная тепловая обработка для быстрого распалубливания изделий (повышение оборачиваемости форм) и увеличения загрузки камер изделиями без форм,

- сочетание тепловой обработки с технологическими и химическими методами тепловой обработки.

Передача тепла бетону в изделиях и конструкциях может осуществляться следующими способами:

• В среде насыщенного водяного пара, паровоздушной смеси или влажного воздуха тепло передаётся при непосредственном контакте теплоносителя с бетоном (острый пар) за счёт теплоотдачи (ямные, туннельные, вертикальные камеры). Отдавая тепло пар конденсируется и накапливается в камере, поэтому нужны устройства для сброса конденсата.

• Контактные нагрев – тепло подаётся в замкнутые тепловые отсеки, в которых нагреваются разделительные металлические стенки, а от них тепло передаётся бетону (глухой пар). В качестве теплоносителя может использоваться не только водяной пар, но также горячий воздух, дымовые газы, перегретая вода, горячее масло и др. Широкое применение глухого пара нашло в конструкциях термоформ, кассетных машин. Применение водяного пара при температуре более 100 ^оС вызывает появление избыточного давления, поэтому замкнутые тепловые полости должны выдерживать воздействие избыточного давления, что усложняет и удорожает конструкцию тепловых агрегатов. Кроме того, в тепловых полостях также может накапливаться водный конденсат, поскольку теплоёмкость воды наибольшая из всех веществ на земле, оставлять конденсат в тепловых полостях невыгодно экономически, так как на его нагрев тратится много тепла.

• Более эффективным теплоносителем являются минеральные масла, нагрев которых до 150 ^оС не вызывает возникновения избыточного давления, что позволяет интенсифицировать тепловую обработку без усложнения конструкций тепловых отсеков.

• Прогрев жби в бассейнах с горячей водой может осуществляться при изготовлении железобетонных напорных труб.

• В среде насыщенного водяного пара при температуре выше 100 ^оС и избыточном давлении до 1,2 МПа – автоклавная обработка или запаривание. Чем выше температура и давление в автоклаве, тем быстрее набирается прочность, но повышенные давления требуют специальных меропритий по усилению конструкции автоклава для безопасности его эксплуатации.

• В последнее время получают распространение способы тепловой обработки в продуктах сгорания природного газа, при использовании солнечной энергии (гелиокамеры). При этих способах нагрева нужны специальные мероприятия для предотвращения испарения воды. Удаление воды из бетона вызывает замедление и полное прекращение процессов гидратации цемента, а, следовательно, и рост прочности, кроме того, приводит к созданию развитой открытой капиллярной пористости, что отрицательно влияет на долговечность бетона.

• Предварительный нагрев воды затворения и заполнителей с последующим приготовлением разогретой бетонной смеси, которая быстро доставляется и укладывается с уплотнением в форму с последующим термосным или изотермическим выдерживанием. Может использоваться также затворение бетонной смеси в бетоносмесителе горячей водой или водяным паром, который при перемешивании разогревает все компоненты бетонной смеси. За счет разогрева бетонной смеси интенсифицируются процессы гидратации и полнее используется тепло экзотермических реакций гидратации цемента, что частично компенсирует теплопотери при выдержке и обеспечивает медленное остывание жби.

• Кратковременный (форсированный) электроразогрев бетонной смеси на холодных материалах до 70…95 ^оС. Бетонная смесь включается в цепь переменного тока (при постоянном токе будет электролиз воды) как электрическое сопротивление и по закону Джоуля-Ленца при этом выделяется тепло, количество которого пропорционально времени, величине силы и напряжения тока, проходящего через бетон.

• Электродный прогрев применяется для свежеотформованного изделия, через которое пропускается переменный электрический ток. Тепло выделяется во всём объёме бетона, что предотвращает возникновение перепадов температур, температурных напряжений и деформаций. Электродами могут быть элементы формы или опалубки, арматура или специальные стержневые, полосовые и др. стальные элементы.

• Нагрев свежеотформованных изделий инфракрасными лучами – электромагнитными волнами с определёнными параметрами, которые проникают в бетон и разогревают его. При этом также нужно заботится о предотвращении испарения воды.

• Индукционный нагрев осуществляется при помещении изделия в переменное магнитное поле, за счёт перемагничивания и возникновения вторичных токов в стальной арматуре и форме они разогреваются.

До 80 % сборных жби заводского изготовления подвергается пропариванию в камерах при нормальном атмосферном давлении пара и температуре среды 60…95 ^оС. На действующих предприятиях продолжительность тепловой обработки колеблется в широких пределах от 3 до 24 часов, что зависит от многих факторов. Ускорение пропаривания без специальных мероприятий (введение добавок ускорителей твердения, предварительный разогрев бетонной смеси, многостадийная тепловая обработка, применене цементов высокого качества и др.) с 13 до 6…7 часов приводит к повышению расхода цемента в бетоне М200 на 80…100 кг, что повышает себестоимость изделий.

Тепловая обработка сборных жби проводится до достижения бетоном требуемой передаточной, распалубочной или отпускной прочности (от 50 до 80 % в летнее время и не менее 90…95% от требуемой марочной прочности в зимнее время). При этом завод гарантирует достижение требуемой прочности в возрасте 28 суток после пропаривания. В тех случаях, когда жби подвергаются нагрузке не менее 90 % от проектной до достижения 28 суточного возраста, а также если в процессе транспортирования и монтажа на них воздействуют нагрузки, близкие к расчётным в холодный период года, отпускная прочность бетона назначается равной его проектной требуемой прочности.

Тепловая обработка сборных железобетонных изделий может осуществляться в камерах периодического или непрерывного действия, в специальных термоформах, термопакетах, в кассетных формах, а также под переносными колпаками. При этом в качестве теплоносителя (источника тепловой энергии) могут использоваться водяной пар, паровоздушная смесь, горячий воздух, электрический ток, солнечная энергия, продукты сгорания природного газа.

Степень ускорения твердения бетона при использовании прогревных способов оценивается величиной коэффициента ускорения:

К_уск.= R_тво/R_н.т.>2,

где R_тво – прочность, МПа, образцов бетона после тепловлажностной обработки,

R_н.т. – прочность, МПа, образцов бетона, твердевших в нормальных условиях такое же время, как длительность тепловой обработки.

Чем больше коэффициент ускорения, тем эффективней организована тепловая обработка жби.

Технологические способы ускорения твердения бетона включают в себя:

• Применение быстротвердеющих (БТЦ) и особо быстротвер-деющих (ОБТЦ) цементов или с высокой маркой (с активностью свыше М500), обеспечивающих повышение механической прочности бетонов как в ранние, так и в поздние сроки (табл. 59), или с компонентами, интенсифицирующими рост прочности в ранние сроки.

Таблица 59

Прочности стандартных образцов водного твердения быстротвердеющих цементов

Вид цемента	Предел прочности, МПа, не менее
	При изгибе через	При сжатии через
	3 суток	3 суток	28 суток
БТЦ М400	4,0	25,0	40,0
БТЦ М500	4,5	28,0	50,0
ОБТЦ М700	Не нормируется	45,0	70,0

• Для интенсификации начальных стадий твердения прибегают к направленному минералообразованию в клинкере в расчёте на получение наиболее химически активных минералов С₃S и С₃А. Интенсификация твердения может быть достигнута путём синтеза клинкеров с некоторым количеством нетрадиционных минералов, например таких, как фторалюминат кальция С₁₁А₇СаF. Быстрому нарастанию начальной прочности может способствовать наличие в сырьевых материалах примесных растворимых компонентов, например щелочных, бариевых соединений, хлоридов и др. Их действие основано на химической активации системы и не всегда сопровождается достижением высокой конечной прочности.

• Тонкомолотые цементы (ТМЦ) ускоренно набирают прочность в раннем возрасте вследствие более интенсивно протекающей реакции гидратации из-за увеличения суммарной площади поверхности взаимодействия частиц цемента с водой затворения. Но при увеличении дисперсности цеметна повышается его водопотребность, поэтому ожидать ощутимого прироста ранней прочности бетона на этих цементах можно только при одновременном снижении водопотребности цемента за счёт введения водоредуцирующих добавок. В результате появились цементы низкой водопотребности (ЦНВ), которые были получены домолом цемента с удельной поверхностью 300 м²/кг в присутствии 2…2,5 % по массе суперпластификатора СП-1 до удельной поверхности 420…450 м²/кг, в результате водопот-ребность цемента снижается с 25 % до 17 %, а марочная прочность при сжатии образцов из этого цемента повышается с 50 до 100 МПа. Бетон на таком цементе уже в 12 часовом возрасте нормального твердения характеризовался прочностью не менее 25 МПа, а в марочном возрасте прочность бетона достигает 100 МПа.

• Применение комплексной добавки микрокремнезёма (около 17 %) и суперпластификатора СП-1 2…2,5% от массы цемента позволяет снижать В/Ц до 0,3 без потери удобоукладываемости бетонной смеси и получать без домола цемента быстротвердеющие бетоны с 24 часовой прочностью нормального твердения до 45 МПа, а в марочном возрасте прочность бетона при сжатии составляет 70…110 МПа. Применение повышенных дозировок СП-1 (свыше 1,0 %) без тонкодисперсной АМД резко тормозит схватывание, твердение и набор прочности бетоном как в раннем, так и в марочном возрасте.

• Применение низких значений В/Ц приводит к получению жёстких и сверхжёстких бетонных смесей. Уплотнение таких бетонных смесей до значений коэффициента уплотнения не менее 0,96 осуществляется интенсивными способами – вибропрессованием, виброштампованием. Сразу после формования изделия из таких смесей (тротуарные плитки, бордюрные камни, безнапорные трубы и др.) распалубливаются частично или полностью, а затем при выдержке в цехе 12…16 часов без тепловой обработки набирают прочность не менее 20 МПа.

• Получение низких значений В/Ц возможно также в процессе формования жби вследствие удаления части воды затворения (до 30…40 % от начального количества). Это достигается при фильтрационном прессовании, вакуумировании, виброгидро-прессовании, центрифугировании. Чем больше удаляется воды из бетонной смеси при формовании жби, тем ниже В/Ц и интенсивнее набор ранней прочности бетона. Применение прессования, центрифугирования и вакуумирования сопровождается формированием направленной открытой пористости бетона, что отрицательно сказывается на его стойкости, поэтому целесообразно применять комплексные способы уплотнения бетонной смеси: вибропрессование, центрифугирование с вибри-рованием и прессованием, вибровакуумирование и вибровакуум-прессование.

Химические способы ускорения твердения бетонов заключаются в применении добавок-ускорителей твердения. К добавкам-ускорителям твердения по ГОСТ 24211-2003 относятся такие добавки, введение которых увеличивает прочность бетона в возрасте 1 суток нормального твердения не менее чем на 50%, а после тепловой обработки – не менее чем на 30 % при снижении прочности в возрасте 28 суток не более, чем на 5 %. К ним относятся добавки хлоридов, нитратов, нитритов, формиатов, тиосульфатов, роданитов и др. солей щелочных металлов. К нежелательным побочным эффенктам при использовании этих добавок относятся: возможность образования высолов, щелочной коррозии и повышение электропроводности бетонных смесей и бетонов.

По показателям качества добавки должны отвечать требованиям соответствующей нормативно-технической документации на конкретный продукт, а по показателю эффективности действия - критерию эффективности в соответствии с требованиями ГОСТ 24211.

Эффективность добавок определяют сравнением показателей качества бетонных смесей и бетонов контрольного (без добавки) и основного (с добавками) составов. Эффективность указанных добавок определяют только на бетонах основного состава в соответствии с ГОСТ 30495-96.

Оптимальная дозировка добавки - минимальное количество добавки, при введении которой в состав бетона достигается максимальный эффект действия по критериям эффективности в соответствии с ГОСТ 24211.

Добавки следует вводить в бетоны с водой затворения. Непосредственно перед использованием жидкие добавки, эмульсии, суспензии должны быть перемешаны, сухие добавки растворены. Воду, входящую в состав добавок, учитывают при расчете состава бетона. В сухие бетонные смеси воду вводят в один прием. Вода должна соответствовать требованиям ГОСТ 23732.

В лабораторных условиях замесы следует проводить на сухих заполнителях. Сыпучие материалы дозируют по массе. Воду и растворы (эмульсии, суспензии) добавок дозируют по массе или объему. Допускается дозирование пористых заполнителей по объему с обязательным контролем насыпной плотности. Погрешность дозирования цемента, заполнителей, воды и добавок не должна превышать 1%.

Пробы бетонной смеси отбирают по ГОСТ 10181.0, образцы бетона для различных видов испытаний изготавливают и хранят в соответствии с требованиями стандарта на конкретный вид испытания. Количество изготавливаемых образцов определяют по стандарту на конкретный метод испытания.

Образцы бетона контрольного и основного составов должны твердеть в идентичных условиях, за исключением случаев, когда добавка используется с целью изменения режима твердения бетона.

Время предварительной выдержки бетона контрольного и основного составов, подвергаемого в процессе твердения тепловой обработке, не должно различаться более чем на 20%.

Показатель эффективности действия добавки по критерию эффективности в соответствии с ГОСТ 24211 оценивают по следующим этапам:

- подбирают бетон контрольного состава;

- определяют оптимальную дозировку добавки;

- сравнивают показатели бетонной смеси и бетона контрольного и основного составов.

Эффективность добавок, поступивших на предприятие, оценивают в следующей последовательности:

• оценка соответствия добавок критерию эффективности по ГОСТ 24211;

• оценка эффективности добавок применительно к конкретным условиям производства.

Эффективность добавок следует оценивать при соблюдении следующих условий:

- бетон контрольного состава должен соответствовать следующим требованиям:

• в тяжелых бетонах расход цемента должен составлять 350 кг/м при определении эффективности действия всех добавок, кроме воздухововлекающих.

• для определения эффективности воздухововлекающих добавок расход цемента должен составлять 280 кг/м .

• следует использовать две фракции щебня (5-10 и 10-20 мм); соотношение фракций должно быть подобрано исходя из условий минимальной пустотности. Доля мелкого заполнителя в общей массе заполнителей должна составлять: при использовании воздухововлекающих добавок , при других добавках ;

• оптимальную дозировку добавки подбирают следующим образом. В бетонные смеси вводят добавки в количестве, равном граничным значениям, указанным в нормативной документации на добавку с 2-4 промежуточными дозировками добавки, отличающимися друг от друга на 20-30%. Строят графическую зависимость, связывающую показатели качества бетонных смесей и/или бетонов, являющихся критерием эффективности по ГОСТ 24211, с дозировкой добавки.

• работу проводят при температуре окружающего воздуха и материалов (20±5)°С, за исключением работы с противоморозными добавками;

• тепловую обработку бетонов проводят в пропарочной камере по режиму 3+3+6+2 ч при температуре изотермического прогрева 80°С для портландцемента и 90°С для шлакопортландцемента.

- эффективность добавок оценивают в лаборатории предприятия и на производстве при соблюдении следующих условий:

• изготавливают бетон контрольного и основного составов, применяемых на производстве;

• в лабораторных и производственных условиях уточняют выбранную оптимальную дозировку добавки с учетом цели ее применения;

• работу проводят при температуре окружающего воздуха и материалов, соответствующих условиям производства;

• тепловую обработку бетонов проводят по режимам, принятым на производстве: в лабораторных условиях - в лабораторной пропарочной камере; в производственных условиях - вместе с соответствующими изделиями и конструкциями.

Количество испытаний по определению эффективности действия добавок должно составлять не менее трех для каждого параметра качества бетонных смесей и/или бетонов. Цифровые значения показателей качества бетонных смесей и бетонов рассчитывают по стандартам на конкретные методы испытаний.

Добавки должны иметь документ о качестве.

Средства измерения, испытательное оборудование и приспособления должны быть аттестованы и поверены в установленном порядке.

Эффективность применяемых добавок определяется в следующем порядке: приготавливают бетонные смеси контрольного и основных составов с маркой по удобоукладываемости П1. Из бетонных смесей изготавливают образцы для испытания прочности на сжатие. Образцы бетонов с добавками хранят в нормальных условиях (на два срока испытания - для ускоряющих твердение и на четыре срока - для замедляющих твердение). Образцы бетонов испытывают на сжатие по ГОСТ 10180 в возрасте 1 и 28 сут. - для ускорителей твердения, в возрасте 1, 3, 7 и 28 сут. - для замедлителей твердения.

При определении эффективности добавок, ускоряющих твердение, прирост прочности бетона основного состава вычисляют по формуле

При определении эффективности добавок, замедляющих твердение, уменьшение прочности бетона основного состава вычисляют по формуле

где - прочность бетона основных составов, МПа;

- прочность бетона контрольного состава, МПа.

Для интенсификации тепловой обработки, снижения расхода цемента и энергетических затрат в бетонную смесь вводят добавки ускорители (сульфат натрия (СН), хлорид кальция (ХК), водорастворимую смолу С-89, нитрит натрия (НН), нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит-нитрат-хлорид кальция ННХК и др.) наиболее ощутимый эффект ускорителей наблюдается при использовании низкоалюминатных портландцементов (С₃А до 6 %) или шлакопортландцементов (после пропарки прирост прочности до 20 %, в марочном возрасте после пропарки – до 25 %. Интенсифицирующее действие солей электролитов на процесс твердения бетона объясняется ускорением процесса гидратации цемента. Хлориды и сульфаты интенсифицируют коррозию арматурной стали, поэтому для железобетона более приемлемы комплексные добавки ННК, ННХК, содержащие ингибиторы коррозии арматуры. Эти добавки (до 3 % от массы цемента) позволяют без снижения прочности уменьшить длительность изотермического прогрева до 2 раз.

При электротермообработке эти добавки снижают необходимое напряжение и расход электроэнергии.

Электролиты – ускорители твердения наиболее эффективны вместе с пластифицирующими добавками. При этом усиливается пластифицирующий эффект, снижается расход пластификатора, снижается В/Ц или расход цемента. Комплекс добавок суперпластификатора и ускорителя позволяет повысить прочность бетона после пропаривания до 90 % от проектной, а при получении одинаковой прочности и при сниженном расходе воды сокращается продолжительность изотермической выдержки до 3 раз.

Прочность пропаренного бетона с добавками ускорителями твердения приведена в табл.60, сравнение способов ускорения твердения –в табл. 61.

Таблица 60

Цементы	Добавки	Rб в % от R28 после тво через
		4 часа	28 суток
БТЦ или высокоалю-минатный (С3А более 10%) портландцемент	Без добавок	50	100
	СН	60	105
	ХК, С-89	60	110
	ХК+НН, ННХК	55	110
Среднеалюминатный (С3А от 6 до 10 %) портландцемент	Без добавок	50	100
	СН	65	110
	ХК,С-89	65	115
	ХК+НН, ННХК	60	115
Низкоалюминатный (С3А менее 6%) портландцемент, ШПЦ и ППЦ	Без добавок	50	110
	СН	70	110
	ХК, С-89	70	125
	ХК+НН, ННХК	65	120

Таблица 61

Сравнение способов ускорения твердения бетона

Мероприятия по ускорению твердения	Сроки (час) достижения 70% марочной прочности бетона
	При 20 оС	При 80+5 оС
1. Бетон из б/см П1 на ПЦ 400 Д-20 (эталон)	140…170	13…15
2. БТЦ или активированные цементы	70…120	9…11
3. Сверх БТЦ типа «бесалит»	20…35	4…6
4. Применение химических добавок	120…140	10…12
5. Применение жестких бетонных смесей Ж 2…4	110…130	10…12
6. Применение сверхжестких бетонных смесей СЖ 2…3 и вибропрессования	10…20	4…6
7. Применение ВНВ100	10…20	4…7
8. Применение добавки микрокремнезёма и суперпластификатора, б/с П1	10…20	4…6
9. Активация цемента + хим. добавки + повышение жёсткости бетонной смеси до Ж 2…4	55…75	6…8

7.2 Особенности твердения и структурообразования бетона при тепловлажностной обработке.

Сущность воздействия температурного фактора на твердение цемента в бетоне заключается в изменении химической активности воды. С повышением температуры она возрастает вследствие распада крупных ассоциаций молекул воды на более мелкие. Последние становятся подвижнее и интенсивнее взаимодействуют с частицами цемента, ускоряя процесс гидратации. В результате ускоряется появление гидратных новообразований, формирующих цементный камень, связывающий все компоненты в единый конгломерат – бетон.

При тепловой обработке твердение бетона настолько интенсифицируется, что представляется возможным обеспечить достижение необходимой прочности в 20…30 раз быстрее, чем при температуре 20⁰С. При температуре 80…90⁰С вводимые в цемент добавки молотого граншлака проявляют химическую активность и приобретают свойства вяжущего.

Независимо от способа тепловой обработки при температуре до 100 ^оС нарастание прочности бетона, также как и при твердении в нормальных условиях, протекает в три периода:

1 – незначительный прирост прочности (период формирования начальной структуры бетона),

2 – быстрое нарастание прочности (период упрочнения структуры),

3 – медленный рост прочности с возможными периодическими сбросами (период стабилизации структуры).

Длительность отдельных периодов зависит от многих факторов: свойств и вида цемента, В/Ц, соотношения компонентов и удобоукладываемости бетонной смеси, вида и количества вводимых добавок, режима тепловлажностной обработки и др.

При твердении бетона образуется цементный камень, который включает:

• непрореагировавшие остатки клинкерных зёрен, содержание которых со временем уменьшается,

• гель, состоящий из частиц гидратных новообразований размером 5…20 и более нм и пор геля диаметром 1…100 нм. Объём пор геля составляет около 39 % от объёма твёрдой фазы геля, а твердение при повышенных температурах под давлением понижает объём этих пор до 22 % ,

• относительно крупные кристаллы таких новообразований как Са(ОН)₂, эттрингит, не обладающие свойствами коллоидов,

• капиллярные поры размером 100…20000 нм и сферические воздушные поры, образующиеся вследствие воздухововлечения и контракции.

При тепловлажностной и электрической термообработке до температуры 100 ^оС бетонных и железобетонных изделий не происходит существенного изменения фазового состава гидратных новообразований цементного камня по сравнению с нормально твердевшим бетоном. Продукты гидратации представлены в основном гидросиликатами кальция, есть в небольших количествах гидроалюминаты и гидроферриты кальция, а также портландит (Са(ОН)₂), эттрингит, карбонат кальция. В процессе тепловлажностной обработки наблюдается интенсификация процессов гидратации, развитие и укрупнение первичных кристаллических сростков, увеличение микротвёрдости гидратированной массы.

Температура оказывает очень большое влияние на скорость гидратации и твердение цемента. Снижение температуры до 1…8 ^оС в 2…3 раза замедляет по сравнению с твердением при обычных температурах эти процессы, а ниже 0^оС они почти полностью прекращаются. Повышение же температуры твердеющего бетона сопровождается большим ускорением роста прочности бетона. Оно становится достаточно заметным уже при температуре бетонной смеси 30…40 ^оС (в тёплые периоды года), в больших массивах эти температуры могут держаться и в холодное время года.

Резкое ускорение процессов твердения цементов и бетонов наступает при 70…95 ^оС и особенно при 175…200 ^оС и выше (автоклавная обработка). Однако, такое интенсивное воздействие температуры на твердение цементов проявляется лишь при наличии в них воды в жидком состоянии. Недостаток воды во время твердения при повышенных температурах не только замедляет процесс гидратации, но и снижает прочность и стойкость бетонов. При полном испарении воды процессы гидратации и твердения прекращаются. Кроме этого, высокие температуры тепловой обработки бетона, как правило, снижают скорость набора прочности после тепловой обработки. Поэтому в большинстве зарубежных стран тепловая обработка жби проводится при температуре 50…60 ^оС в среде с повышенной влажностью.

При повышененых температурах весьма значительно изменяется кристаллическая структура цементного камня, возрастает степень закристаллизованности продуктов гидратации. По данным Т.В.Кузнецовой в интервале температур 25…95 ^оС тоберморитовый гель постепенно превращается в хорошо закристаллизованные соединения тоберморито подобных фаз и образуются крупные кристаллы Са(ОН)₂. В кристалической форме выделяются моногидросульфоалюминат и гидроалюминаты кальция. Укрупнение кристаллогидратов, а также процессы перекристаллизации метастабильных продуктов приводят к развитию различного рода деструктивных процессов в твердеющем цементном камне (кристаллизационное давление, напряжения, трещины), что снижает абсолютные значения достигаемой им прочности по сравнению с цементным камнем, длительно твердевшим при нормальных условиях.

Таким образом, свойства пропаренного бетона отличаются от свойств бетона, твердевшего в нормальных условиях вследствие следующих причин:

• «огрубление» структуры цементного камня при тво бетона так как уменьшается содержание цементного геля, гидратные новообразования более крупные,

• Цемнтный камень и бетон после тепловвлажностной обработки имеют повышенную (на 8…15 %) пористость в зависимости от режима и условий тво. В отдельных случаях пористость может возрастать до 2 раз главным образом за счёт увеличения объёма макропор радиусом более 100 нм.

Это приводит к повышению хрупкости бетона, уменьшается вязкость разрушения, трещиностойкость, адгезионная прочность, а также прочность при изгибе и осевом растяжении, сцепление с арматурой. Повышенная макрокапиллярная пористость снижает морозостойкость, водонепрони-цаемость, защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре.

Основной причиной увеличения объёма макрокапиллярной пористости считается тепловое расширение жидкой и, особенно, парогазовой фаз в процессе тепловой обработки бетона, что вызывает возникновение давления и деструктивные процессы с увеличением внешнего объёма. Этот процесс вследствие миграции влаги и перепадов температуры может развиваться на всех этапах тво. На стадии нагрева периферийные участки жбк разогреваются быстрее, перепады температуры могут достигать 30…40 ^оС, что вызывает неравномерные деформации – наружные слои стремятся расшириться, а внутренние им препятствуют. Как следствие – возникновение поверхностных трещин. На стадии изотермического или термосного прогрева вследствие экзотермии гидратирующегося цемегнта температура внутренних слоёв может быть на 10…20 ^оС выше, чем на периферии. На стадии охлаждения быстрее остывает часть формы (поддона), не соприкасающаяся с изделием, что вызывает изгиб формы и возникновение дополнительных трещин в изделии.

Деструктивные изменения могут частично «залечиваться» при последующем естественном твердении, интенсивность которого связана с возможностью дальнейшей гидратации цемента, то есть с принятым режимом тво и наличием остаточной влаги.

Влияние деструктивных явлений на прочность бетона оценивается по величине коэффициента деструкции (К_д) – отношению прочности бетона после тво и 28 суток нормального твердения (R_тво ²⁸) и прочности бетона после 28 суток нормального твердения (R_нт²⁸):

К_д = R_тво ²⁸/ R_нт ²⁸.

Если К_д<1, то в бетоне протекают деструктивные процессы, нужно организовывать тепловую обработку так, чтобы выполнялось неравенство: К_д ≥1. На интенситвность протекания деструктивных процессов влияет большое количество факторов: массивность изготавливаемой конструкции, количество цемента, воды и воздуха в бетонной смеси, степень её уплотнения, времы начала прогрева после формования жби (продолжительность и температура предварительной выдержки), скорость разогрева – по Невиллю она должна быть не более 15 градусов в час, при быстром разогреве (до 50…60 градусов в час) величина деформаций бетона железобетонных конструкций возрастает в 3…5 раз, температура разогрева, длительность изотермического выдерживания, скорость охлаждения и др.

Величина деформаций бетона связана с комплексом различных объёмных изменений, протекающих в твердеющем бетоне:

• температурные деформации компонентов бетона,

• физико-химические процессы твердеющего вяжущего (контракция, экзотермия),

• внешний и внутренний тепло и массообмен,

• деформации усадки, ползучести.

Величина остаточных деформаций после тво железобетонных изделий зависит от интенсивности протекания деструктивных процессов, которая в свою очередь зависит от прочности бетона к началу тво жбк (начальная прочность). При достаточно большой начальной прочности бетона тепловое воздействие определёненой интенсивности не приводит к возникновению деструкции бетона, максимальное расширение бетона практически такое же как для затвердевшего бетона. Величина начальной прочности бетона, при которой не происходит деструкция при тво, называется критической прочностью (Rкрит), если фактическая начальная прочность бетона не менее критической, то деструктивные явления при тво отсутствуют. Величина Rкрит = 0,2…0,8 МПа в зависимости от режима тво: чем больше Rкрит, тем больше мождет быть скорость разогрева при тво. После достижения бетоном прочности не менее Rкрит стабилизируется коэффициент термического расширения бетона и он становится близким к КТР стали. Следовательно, обеспечивается совместное расширение бетона и стали при разогреве, не нарушается сцепление арматуры с бетоном при тво.

Таким образом, для обеспечения ускорения твердения бетона при тво и снижение или предотвращение развития деструктивных процессоа необходимо назначать такие режимы тво, которые учитывают особенности применяемого цемента и бетона при твердении в среде с повышенной температурой. Эти особенности зависят от:

• минералогического и фазового состава цемента, его водопотребности\, наличия химических и минеральных добавок,

• свойств бетонной смеси – удобоукладываемости, активности и пористости заполнителей, воздухововлечения, содержания воды,

• режима тепловой обработки, температуры и влажности паровоздушной смеси, начальной прочности бетона,

• параметров прогреваемой жбк – массивности, толщины, площади открытых (неопалубленных) поверхностей, густоты армирования и др.

Правильность выбранного режима тепловлажностной обработки железобетонных изделий оценивается по следующим критериям:

1. степень ускорения твердения бетона для получения отпускной прочности,

2. степень развития деструктивных процессов при тво, получение бездефектной структуры бетона

3. прирост прочности бетона после тво в возрасте 28 суток нормального твердения, обеспечение требуемой прочности бетона в марочном возрасте.

Экономически целесообразно режимы тво назначить такие, чтобы достигалась передаточная, распалубочная, отпускная прочность бетона в короткие интервалы времени для увеличения оборачиваемости форм и снижения расхода тепловой энергии (рис. 136).

Рис.136 Изменение основных показателей ребристых плит 3х6 м в зависимости от продолжи-тельности пропаривания S, час..

1 – расход цемента, кг/м³,

2 – металлоёмкость форм q, кг/м³,

3 – себестоимость продукции, С, руб/м³.

Наиболее эффективным теплоносителем является водяной пар, имеющий максимальный коэффициент теплоотдачи. Практически тво при атмосферном давлении проводится при температуре менее 100 ^оС, чем ниже темература, тем меньше содержание пара в паровоздушной смеси (при 80 ^оС содержание пара не более 50 %), что ухудшает передачу тепла от теплоносителя к бетону.