Физико-химические процессы при тепловой обработке бетона

Заключительным и наиболее длительным этапом в производстве железобетонных изделий является твердение бетона. В течение этого этапа формируется структура бетона, способная воспринимать механические нагрузки и противостоять агрессивному действию окружающей среды.

С целью ускорения твердения бетона на заводах железобетонных изделий применяется его тепловая обработка.

При этом режимы твердения железобетонных изделий следует назначать, исходя из необходимости создания оптимальных условий твердения и возможно более полного использования прочностных свойств бетона при возможно меньшем удельном расходе цемента и с обязательным обеспечением необходимой долговечности бетона.

Таким образом, дальнейшее совершенствование режимов тепло-влажностной обработки должно проводиться только на основе всестороннего и углубленного исследования процессов твердения вяжущих и физических явлений, возникающих в бетоне при твердении.

Зная сущность, причины возникновения и взаимосвязь физических процессов, происходящих в бетонах при прогреве, и их связь с физико-химическими процессами гидратации и твердения цемента, можно управлять структурообразованием бетона путем создания оптимальных параметров среды в тепловом агрегате и получать бетоны более высокого качества при одновременном сокращении цикла твердения и достаточно полном использовании цемента.

Свойства бетона определяются его структурой, а последняя, в свою очередь, зависит от физико-химических процессов, протекающих при твердении.

Твердение следует рассматривать как результат протекания и взаимодействия двух процессов:

- гидратообразования

- структурообразования

При этом процесс гидратообразования является первичным процессом, служит способом генерации новой фазы специфического состава и сам по себе не определяет роста прочности цементного камня и бетона.

Структурообразование–это процесс образования пространственного каркаса и его упрочнения. Именно этот процесс определяет рост прочности цементного камня.

Так как эти два процесса являются взаимодействующими, то только при определенном соотношении их скоростей на различных этапах твердения можно получать бетон с заданными свойствами.

В настоящее время до сих пор остается дискуссионным вопрос о механизме гидратации вяжущих, хотя с точки зрения получения максимальной прочности тип реакции не имеет значения.

По мере же повышения температуры твердения ускоряется кинетика процесса гидратообразования, последовательность и полнота фазовых превращений, хотя при этом не изменяется состав новообразований и не уменьшается степень гидратации вяжущего.

Роль тепло-влажностной обработки при t<=100⁰C сводится лишь к ускорению химических реакций без качественного изменения процесса гидратации цемента в целом (рис.13.).

Как видно из рис.13. скорость гидратации при повышении температуры с 20⁰С до 80⁰С увеличивается в 3 раза.

Исходя из взаимосвязи процессов гидратообразования и структурообразования, можно заключить, что

повышение температуры

твердения ускоряет и процесс

Рис.13 Зависимость скорости структурообразования (рис.14).

гидратации от температуры среды

При этом скорость структурообразования при повышении температуры также увеличивается в 3 раза.

Увеличение скорости структурообразования связано, по-видимому, с образованием крупных, лучше закристаллизованных новообразований, что, однако, приводит к снижению прочности термообработанного бетона.

Рис.14 Скорость

структурообразования

Как было установлено Ребиндером и Сегаловой, прочность камня зависит от дисперсности новообразований, которая определяет прочность и количество контактов срастания.

Процесс структурообразования связан с обратным ему процессом- деструкцией, которая особенно ярко выражается при тепловлажностной обработке.

В настоящее время большинство исследователей связывают возникновение деструктивных процессов с температурным расширением жидкой и газообразной фаз бетона при нагревании.

Действительно, расширение газообразной и жидкой фаз при нагревании свежеуложенного бетона будет приводить к разрыхлению его структуры (увеличению пористости). Теоретический расчет температурного расширения показал, что 97% приращения объема образца при нагреве идет за счет газообразной и жидкой фаз, что свидетельствует о наиболее отрицательной их роли в процессах формирования структуры свежеуложенного бетона при прогреве.

Однако, вышесказанное в большей мере относится к изделиям, прогреваемым без формы или в форме с большой открытой поверхностью. А если изделие прогревается в закрытой форме? Что здесь является причиной развития деструктивный процессов?

Дело здесь состоит в том, что накопление гидратных образований и срастание их в пространственный каркас носит противоречивый характер.

С одной стороны накапливание продуктов гидратации обуславливает дальнейшее, более тесное расположение кристаллогидратов и их срастание, а с другой – начинает все более отрицательно сказываться на прочности объемный эффект роста кристаллов, так как он происходит в “стесненных” условиях.

В результате в твердеющей системе возникают отрицательные напряжения, приводящие к ее деструкции, и, таким образом, в системе устанавливается определенное соотношение между структурообразующими и деструктивными факторами.

Если превалируют деструктивные явления, то прочность системы понижается, а если превалируют структурообразующие явления, то прочность системы возрастает.

Посмотрим теперь на связь этих явлений с кинетикой процессов гидратообразования и структурообразования.

На начальных этапах твердения высокая скорость гидратообразования является положительным фактором, так как образующиеся гидратные новообразования способствуют формированию непрерывного пространственного каркаса, т.е. развитию процесса структурообразования.

Если же поддерживать высокую скорость гидратообразования на последующих этапах твердения, когда набрал силу процесс структурообразования, то это отрицательно скажется на росте прочности цементного камня, так как интенсивная поставка новых продуктов реакции будет разрушать формирующиеся кристаллизационные контакты.

Таким образом, только при разумном сочетании скоростей процессов гидратообразования и структурообразования можно получать цементный камень с заданными свойствами.

Теперь, несколько слов об автоклавной обработке бетонов.

В отличие от тепловлажностной обработки при t<=100⁰C и атмосферном давлении, автоклавная обработка существенно изменяет фазовый состав новообразований, причем образование того или иного гидросиликата кальция определяется отношением C/S в исходном вяжущем, температурой и длительностью обработки.

При автоклавной обработке все минералы портландцементного клинкера вступают в химическую реакцию с кремнеземом. При этом образуется группа малоосновных гидросиликатов кальция “семейства тоберморита ” с обобщенной формулой . Эти гидросиликаты являются основной стабильной фазой цементирующего вещества бетонов автоклавного твердения, обладающих высокой прочностью.

Экзотермия цементов.

Реакция гидратации клинкерных минералов и цемента, вследствие которой происходит их схватывание и твердение, сопровождается тепловыделением. Многочисленными опытами установлена определенная связь между минералогическим составом, гидратацией, тепловыделением и твердением цементов.

Тепловыделение, являясь прямым следствием гидратации цемента, характеризует развитие процессов твердения бетонов и растворов и при прочих равных условиях определяет их технические свойства. Оно может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на формирование структуры и технических свойств бетонов и растворов.

В факте тепловыделения в бетоне скрыто противоречие, которое выражается в том, что нагревание изделий может быть полезным для создания благоприятных условий твердения и в то же время оно может вызвать напряженное состояние, нарушение структурной сплошности.

Чтобы во всех случаях направленно использовать тепловыделение, мы должны владеть точным расчетом тепловых полей в бетонных и железобетонных изделиях, обеспечить равномерность их распределения.

Однако на пути решения этой задачи имеются большие трудности, связанные с разнообразными условиями распределения тепла и влаги внутри бетона, значительными их градиентами, а зачастую и различной направленностью движения влаги и тепла.

Вследствие изменения физических констант бетона во времени и нестационарности потоков и тепломассообмена с внешней средой теоретические расчеты значительно усложняются. Многие вопросы еще подлежат экспериментальному исследованию по строго обоснованным научным методикам, с глубоким пониманием применения законов термодинамики.

Рассмотрим некоторые данные, касающиеся тепловыделения цементов (рис. 15).

Составляющие цементный клинкер минералы обладают разным тепловыделением. Так, и отличаются не только высоким, но и быстрым тепловыделением. и (особенно) являются малотермичными и выделяют тепло значительно медленнее.

Отсюда следует важный технологический вывод:если нужно использовать низкотермичные портландцементы, то следует использовать цементы с низким содержанием и за счет повышения

Рис.15 Экзотермия клинкерных минералов содержания в них

алюмоферритной фазы.

Опыты, проведенные Заседателевым и Мамедовым, показали, что решающим фактором, определяющим тепловыделение, является температура, при которой происходит гидратация цемента, а давление оказывает незначительное влияние на выделение тепла (рис. 16).

С целью снижения тепловыделения и

повышения водостойкости бетона в

отечественной и зарубежной практике

широко применяются активные

минеральные добавки (трепел, зола-унос и

др.).

Проведенные исследования показали,

Рис. 16 Тепловыделение что введение активной гидравлической

при гидратации цемента добавки до 25% приводит к небольшому

в зависимости от температуры

уменьшению тепловыделения. В этом случае большое значение имеет тонкость помола цемента и активность составляющих компонентов.

Более эффективным является применение шлакопортландцемента, который имеет замедленное тепловыделение в начальные сроки твердения, хотя через длительный промежуток времени, тепла выделяется столько же, сколько и цементом без добавки шлака.

Во время тепловой обработки в бетоне за первые несколько часов выделяется значительное количество тепла, которое следует учитывать в энергетическом балансе тепла, затрачиваемого на нагрев изделий. Внутри бетонной плиты за счет экзотермии цемента развиваются температуры, значительно превышающие температуру среды и поверхности изделий. Вследствие этого получается отличный от расчетного режим твердения и возникают значительные температурные градиенты, которые могут вызвать образование трещин в изделиях.

У бетона на портландцементах тепловыделение в процессе прогрева может достигать таких значений, которые соответствуют подъему температуры за счет экзотермического тепла на 70–80⁰С. При этом наблюдается неравномерность температурных полей и изменение влажностного режима в бетоне. Поэтому режим и длительность тепловой обработки следует назначать и регулировать с учетом саморазогрева бетона.

Несколько слов об управлении процессом термообработки. В настоящее время автоматическое управление режимами тепловой обработки на заводах железобетонных изделий осуществляется неправильно. Обычно регулируют температуру среды в установке, а во время изотермической выдержки через 4-6 часов температура бетона в изделиях превышает на несколько градусов температуру среды в камере. В это время начинается потеря влаги. Для бетона (особенно тяжелого) такой режим является неоптимальным, поэтому температура среды установки должна корректироваться по температуре бетона.

Это обстоятельство следует учесть при выполнении курсового проекта, а в дальнейшем и при дипломировании.

Методов для определения тепловыделения существует очень много. Наиболее широкое распространение в настоящее время получил метод, разработанный в институте ВНИИЖелезобетон.

Тепловыделение с достаточной для практических расчетов точностью можно определить по формуле:

кДж/кг (44)

Где - количество градусо-часов тепловой обработки.

(45)

а – эмпирический коэффициент

а=0,32+0,002 290

а=0,84+0,0002 >290

М – марка цемента

Тепловыделение бетона определяется как:

(46)

где Ц – расход цемента на 1 бетона в кг.

С другими методами расчета вы можете познакомиться в соответствующей литературе.

Тепловыделение при гидратации цемента может быть рассчитано по формуле И.Д.Запорожца:

М_кал/м³

- максимальное удельное тепловыделение цемента

=7* Мкал/кг

Ц – расход цемента, кг/

– время прогрева

- коэффициент темпа тепловыделения, ^-1

=1,8*

С увеличением В\Ц тепловыделение повышается, а повышение начальной температуры приводит к значительному увеличению удельного тепловыделения цемента.

Совершенно по-другому обстоит дело при твердении бетона в камерах непрерывного действия. Здесь, если не будут приняты соответствующие меры, вода может начать испаряться в раннем возрасте бетона, что ухудшает качество изделий.

Интенсивное испарение воды, которое неравномерно распределено по толщине бетона, создает разную усадку под действием капиллярных сил. Это приводит к образованию сложного напряженного состояния и появлению трещин на поверхности бетона в зоне наибольших растягивающих усилий при укороченных режимах тепло-влажностной обработки.

С увеличением длительности изотермии отрицательно влияние испарения влаги на прочность бетона при <1 будет увеличиваться.

Учитывать результаты процесса испарения воды из бетона необходимо и при тепловых расчетах камер, так как процесс испарения воды из бетона происходит главным образом за счет тепла, подаваемого извне в камеру.

На испарение влаги из бетона влияет и его структура, характеризуемая различным В\Ц и видом бетона. При повышении В\Ц укрупняются поры и капилляры бетона. Известно, что парциальное давление паров над менисками таких капилляров меньше, чем у более крупных. Следовательно, испарение из крупных капилляров происходит более интенсивно, чем у мелких, а процессы конденсации влаги протекают в обратном порядке по отношению к испарению в зависимости от радиусов капилляров. При постоянных условиях количество испарившейся влаги при тепловой обработке увеличивается с ростом В\Ц, а при В\Ц=const- в зависимости от температуры прогрева.

Однако, существует лишь несколько работ, посвященных изучению испарения влаги из бетона в процессе тепловой обработки и в них имеются существенные разногласия.

По данным Бужевича, скорость испарения воды из бетона в начальный период твердения равна скорости испарения воды со свободной поверхности.

Вслед за этим, наступает второй период, в течение которого испарение воды их бетона происходит более интенсивно, затем наступает третий период, когда скорость испарения значительно уменьшается по сравнению со скоростью испарения со свободной поверхности.

Повышение скорости испарения воды во второй период обусловлено в основном шероховатостью поверхности бетона, что увеличивает поверхность испарения, и тепловыделением цемента, вследствие чего, как уже говорилось, температура бетона становится выше температуры воды, находящейся в той же среде.

Следует отметить еще очень интересную работу Малининой, где показано, что испарение влаги из бетона существенно влияет на качество изделий, причем влияние это неоднозначно.

Поиск по сайту: