Кинетика роста прочности при тепло-влажностной обработке

Максимальная величина относительной прочности достигается тем быстрее, чем ниже В\Ц бетона. Причем у бетонов на большинстве портландцементов после 6–8 часов изотермического выдерживания нарастание прочности резко замедляется. Интенсивность нарастания прочности и ее абсолютное значение при прочих равных условиях определяется только качеством цемента и особенностями его твердения в условиях повышенных температур.

При увеличенной длительности пребывания изделий в камерах нет необходимости в повышенной t=80–90⁰С.

Можно ограничиться разогревом и при необходимости кратковременной выдержкой при t=40–50⁰С Мягкий режим тепло-влажностной обработки обеспечивает лучшие физико-механические свойства бетона, а необходимая отпускная прочность все равно получается за счет большей длительности выдерживания. Кроме того, при низкотемпературных режимах тепло-влажностной обработки резко снижается расход энергии.

До последнего времени существовало устойчивое мнение о том, что пропаривание ведет к последующему недобору прочности бетона в 28-суточном возрасте по сравнению с бетоном того же состава нормального твердения, в связи с чем при проектировании состава бетона предусматривали завышенную проектную марку, что приводило к перерасходу цемента.

Однако результаты исследований Л.А.Малининой и ряда других исследователей показали, что при применении режимов, не приводящих к возникновению структурных нарушений, пропаренные бетоны в 28–суточном возрасте не только достигают значений прочности бетонов нормального твердения, но, как правило, превышают их.

Результаты исследований по выявлению оптимальной температуры пропаривания можно представить следующим

Из этих данных следует, что повышать температуру среды при обычном паропрогреве с =100%, при атмосферном давлении выше 80⁰С, как правило, нецелесообразно.

Подобная зависимость сохраняется и для бетонов с различными В\Ц, приготовленных на различных портландцементах, в том числе и на ОБТЦ.

При этом изменяется лишь величина максимальной относительной прочности бетона и время ее достижения.

Теперь, после такого небольшого отступления, обратимся непосредственно к кинетике роста прочности.

Еще в 1956 году Кржеминским, а затем и С.А.Мироновым и Л.А.Малининой было показано, что рост прочности бетона при термообработке изображается графически: не плавной линией, а волнообразной,- так как наблюдаются периоды сбросов прочности.

При этом сразу необходимо отметить, что сбросы прочности, как правило, не наблюдаются в начальный период пропаривания и весьма значительны при длительном изотермическом выдерживании.

Следует отметить, что сбросы прочности в процессе термообработки наблюдаются в основном при частных испытаниях образцов с интервалом в 0,5-1 час. Если же испытывать образцы с промежутком в 2-4 часа, как это делалось в большинстве ранее проводившихся экспериментов, удлиняя последовательно длительность изотермической выдержки, то сбросы прочности могут остаться незаметными. Это объясняется тем, что в целом волнообразная кривая роста прочности бетона имеет восходящий характер. Если же иногда и наблюдались выпадающие точки, то на них, как правило, не обращали внимания и выпадающий результат считали случайным. Весьма похожая картина получалась при ежесуточном испытании образцов нормального твердения.

На основании обобщения экспериментов по изучению кинетики твердения бетонов в процессе термообработки можно отметить три основных периода кинетики роста прочности:

1) Незначительного прироста прочности;

2) Быстрого роста прочности;

3) Медленного роста прочности с периодическим ее сбросом (рис. 23)

В первом периоде в первые 2-3 часа после начала тепло-влажностной обработки при подъеме температуры прочность бетона при кратковременной предварительной выдержке увеличивается незначительно и соответствует индукционному периоду гидратации цемента.

Второй период начинается в начале изотермического выдерживания и продолжается в течение 4–7 часов.

В это время в основном происходит непрерывный рост прочности и значение ее достигает 50–70 % (в зависимости от В\Ц бетона и активности цемента); сбросы прочности наблюдаются лишь иногда и имеют небольшую величину.

При дальнейшем увеличении длительности изотермического прогрева (сверх 6-10 часов)

Рис. 23 Рост прочности бетона в наступает третий период,

зависимости от длительности ТВО интенсивность нарастания

прочности падает и

наблюдается устойчивое чередование периодов роста и слада прочности с незначительной тенденцией к ее увеличению.

Многочисленными исследованиями установлено, что спады прочности имеют место у изделий, изготовленных на различных видах вяжущих, зачастую имеющих различный механизм твердения.

В частности, твердение гипса вполне удовлетворительно объясняется кристаллизационной теорией, в то время, как твердение цемента идет по сложной схеме и до конца еще не изучено.

Бесспорным тут можно считать лишь то, что причиной сброса прочности цементного камня, независимо от вида вяжущего, является возникновение собственных напряжений в процессе твердения.

Причины, приводящие к возникновению этих напряжений будут различными для различных вяжущих, и объяснения, справедливые для одних, не могут быть механически перенесены на другие.

В частности, объяснение причины спадов прочности процессами перекристаллизации поверхностей контактов новообразований и возникновение кристаллизационного давления (Сегалова, Ребиндер) справедливо для гипса или извести, и, очевидно, эти явления имеют второстепенное значение при твердении камня на основе портландцемента.

Таким образом, возникновению собственных напряжений, приводящих к сбросу прочности бетона, сопутствует гидратация портландцемента и эти процессы взаимосвязаны. Прекратится гидратация – не будет и сбросов прочности, это положение подтверждено многочисленными опытами.

Сбросы прочности бетона возможны в различные сроки, что зависит, прежде всего, от условий, в которых он твердеет. Поэтому при твердении бетона как в процессе пропаривания, так и в естественных условиях при положительных температурах их возникновение можно ожидать в различное время. Процессы эти протекают спонтанно, недостаточно изучены и мало управляемы.

Можно предположить, что при тепло-влажностной обработке сброс прочности более заметен в образцах малых размеров с небольшим температурным перепадом. Если же взять изделия средней или большой массивности, то вследствие неоднородности температурного поля по сечению изделия различные слои бетона твердеют при различных режимах, а это значит, что если в одних слоях бетона будут наблюдаться локальные сбросы прочности, то в других - прочность будет расти. В итоге прочность бетона изделия при режимах достаточной продолжительности будет иметь неизменную величину или же возрастать, так как есть общая тенденция к ее росту.

В целом же сбросы прочности бетона сопутствуют процессу твердения и являются его следствием. Они в значительной мере определяют минимальную величину коэффициента вариации прочности бетона и не влияют на несущую способность железобетонных конструкций при применяемом в настоящее время коэффициенте запаса прочности.

После этого краткого рассмотрения кинетики роста прочности, вновь обратимся к изотермической выдержке.

При назначении оптимальной длительности изотермического выдерживания следует иметь в виду рассмотренный общий характер нарастания прочности бетона.

Согласно исследованиям Бутта, Колбасова и Тимашева, увеличение изотермической выдержки сверх 4 часов существенно не влияет на повышение прочности бетона, длительные же сроки термообработки приводят к развитию в теле бетона внутренних напряжений, нарушающих целостность кристаллического сростка и снижающие прочность бетона (с этим мы уже познакомились при рассмотрении кинетики роста прочности).

Эти же исследователи отмечают, что дополнительное упрочнение бетона в процессе последующего твердения достигает относительно большей величины при коротких режимах прогрева, что они объясняют меньшей закристаллизованностью и метастабильностью структур цементного камня, складывающихся в этих условиях.

Поэтому многие исследователи считают, что процесс термообработки следует прекращать тогда, когда скорость нарастания прочности становится малой, т.е. в конце второго периода (рис.23) или же в момент наступления максимальной на кривой dR\d .

Многочисленные исследования применяемых в настоящее время бетонов, проведенные Л.А.Малининой показали, что это соответствует 4–10 часовому выдерживанию при 80⁰С и зависит от В\Ц бетона, вида и марки цемента. Наибольшая длительность необходима бетонам низких и средних марок на смешанных цементах.

Охлаждение изделий

Неблагоприятное влияние резкого охлаждения бетонных изделий проявляется в том, что период температур в теле бетона приводит к возникновению растягивающих напряжений в его поверхностных слоях, вызывающих при определенных условиях (большой перепад температуры между изделиями и средой, наличие сквозняков и т.д.) нарушения сплошности его структуры и образование макро- и микротрещин.

Наличие этих дефектов снижает прочность и долговечность бетонных изделий. Максимально допустимый перепад температур между поверхностью бетонного изделия и окружающей средой, по мнению разных авторов, составляет от 40 до 75⁰С. З.Райнсдорф указывает на то, что охлаждение после тепло-влажностной обработки существенно влияет на прочность бетона в ранние сроки твердения.

Слишком быстрое охлаждение, кроме того, усиливает высыхание пропаренного бетона. В крупных конструкциях высыхание поверхности приводит к возникновению усадочных напряжений и в дальнейшем к замедлению и даже приостановке твердения. При охлаждении бетона необходимы определенные мероприятия против возникновения повышенных растягивающих напряжений с тем, чтобы предотвратить развитие трещин в изделии.

Н.Шефлер, в частности, рекомендует конструкции, извлеченные из камеры или опалубки, помещать в подогретую воду, температура которой не должна сильно отличаться от температуры в теле бетона. После окончания термообработки изделия в увлажненном состоянии должны выдерживаться еще сутки.

В связи с этим, хотелось бы сделать одно замечание, касающееся сушки железобетонных изделий. Как показали исследования, проведенные в УралНИИстройпроекте, сушка железобетонных изделий при условии правильного назначения и режима способствует увеличению прочности бетона, причем прирост прочности прямо пропорционален количеству удаляемой влаги. Однако, этот технологический прием на практике еще не применяется и требуется дополнительное экспериментальное его обоснование, хотя и очевидна его целесообразность, особенно для легких бетонов.

Существует, однако, мнение, что удаление влаги из тяжелых бетонов нежелательно, особенно для изделий, к которым предъявляются повышенные требования по водо- и газопроницаемости и морозостойкости. Поэтому существует гипотеза Л.А.Малининой о целесообразности охлаждения изделий в среде с избыточным давлением, т.е. в условиях, обеспечивающих консервацию влаги в бетоне и устраняющих ее фазовый переход. Как видите, против сушки бетона есть серьезные аргументы, но возможно привести и контраргументы. Например, не понятно, для чего нужна консервация влаги в бетоне. Если для гидратации цемента, то мы уже показали, что именно гидратация является причиной сбросов прочности бетона.

Таким образом, в этом вопросе еще много неясного и необходимы дальнейшие серьезные исследования.

При сокращенных режимах изотермической выдержки, как правило, эффективным бывает медленное охлаждение бетонных изделий, так как в этих условиях, дозревание бетона происходит за счет аккумулированного им тепла.

А.В.Саталкин и Н.Р.Чермянин на основе большого экспериментального материала вывели эмпирическую формулу, характеризующую скорость остывания изделий в зависимости от их массивности:

(48)

– модуль поверхности изделий, м^-1, (49)

По установившейся на заводах практике после окончания изотермической выдержки подача теплоносителя прекращается и изделий находятся в камере еще несколько часов (1-3 часа). За этот период изделия остывают на 5–20⁰С (в зависимости от вида камеры и изделия) и горячими извлекаются из нее.

Необходимо отметить, что в настоящее время период охлаждения изделий в камере практически происходит произвольно. Мало также экспериментальных данных и о влиянии этого периода на окончательное формирование структуры бетона и качество изделий.

Поиск по сайту: