CC BY
10УДК 691.328:666.015.45
С.В. ФЕДОСОВ, д-р техн. наук, член-корр. РААСН, Ивановский государственный технологический университет; В.И. БОБЫЛЕВ, генеральный директор АО ДСК (Иваново); Ю.А. МИТЬКИН, д-р техн. наук, А.М. СОКОЛОВ, канд. техн. наук, Ивановский государственный энергетический университет
Исследование суточной прочности бетона при электротепловой обработке токами различной частоты
Производственный цикл на современном предприятии крупнопанельного домостроения построен таким образом, что распалубку готовых железобетонных изделий производят на следующие сутки после укладки свежего бетона в опалубку. К моменту распалубки бетон должен приобрести прочность при сжатии не ниже 70% отпускной. Поэтому при использовании в производстве железобетона и изделий из него электротепловой обработки вместо традиционных способов (ТВО, обработка продуктами сгорания газа) большое практическое значение имеют сведения о кинетике набора прочности бетона, особенно в первые сутки твердения.
С целью получения такой информации были выполнены экспериментальные исследования суточной прочности бетона после электротепловой обработки стандартных образцов 100x100x100 мм. Для экспериментов использовали бетон класса В20, получивший наиболее широкое применение на практике. Опалубка была выполнена из диэлектрических материалов (ламинированная фанера, текстолит, стеклопластик) снабженную теплоизоляцией (пенопласт толщиной 25—30 мм). Электротепловую обработку проводили пропусканием через образцы электрического тока переменного синусоидального напряжения 50 Гц и переменного напряжения прямоугольной формы с частотой 20 кГц по методике [1]. Эксперименты выполнены для трех значений температуры изотермической стадии 40, 60 и 80оС при изменении длительности этой стадии Дгизот от 0 до 9 ч и при температуре окружающего воздуха 17—23оС. Через 24—25 ч от момента укладки свежей бетонной смеси в опалубку производили распалубку готовых образцов и подвергали их испытаниям на прочность.
Из анализа полученных результатов следует, что при использовании электротепловой обработки величина суточной прочности бетона зависит от двух факторов: температуры Тизот и продолжительности Дгизот изотермической стадии. При этом не отмечено заметного влияния на прочность частоты приложенного напряжения. На рис. 1 представлены зависимости суточной прочности при сжатии Ясут бетонных образцов от длительности изотермической стадии электротепловой обработки при различных Тизот, а также отмечена пунктирной линией отпускная прочность Яотп (17,5 МПа) для бетона класса В20.
Как видно из рис. 1, в начальной части полученные зависимости (Дгизот = 0—2 ч) имеют качественно одинаковый характер: наблюдается быстрое увеличение Ясут. Дальнейший ход кривых для различной Тизот заметно отличается.
Следует отметить, что максимальное значение суточной прочности, которого удалось достичь в опытах, составило 20 МПа.
Практическое значение полученных результатов заключается в их необходимости для обоснованного вы-
♦ - ТИ30Т =40оС; ■ - ТИ30т =60оС; А - ТИ30т =80оС
Рис. 1. Зависимости суточной прочности бетона от длительности изотермической стадии при электротепловой обработке
бора параметров электротепловой обработки — длительности изотермической стадии Дгизот и ее температуры Тизот [2, 3]. Поэтому зависимости, представленные на рис. 1, требуют объяснения на основе анализа твердения бетона в условиях повышенной температуры. В таблице приведен примерный минералогический состав цемента, применяемого в настоящее время для приготовления тяжелого бетона. В работе использован цемент ПЦ400Д0 производства Михайловского цементного завода (Рязанская обл.).
Увеличение прочности цемента после его затворения водой и во время схватывания, происходящее в результате гидратации соединений цемента, может быть представлено уравнением, полученным при допущении аддитивного характера влияния каждого соединения [4]:
Я= а-А+Ь-В+е-С+ё^, (1)
где Я — прочность бетона; а, Ь, е, ё — коэффициенты, отражающие влияние 1% соответствующего соединения на прочность бетона; А, В, С, D — соответственно доля соединений С38, С28, С3А, C4AF, принявших участие в гидратации. Величина этих параметров изменяется во времени от нуля до значений, равных содержанию соединений в цементе, если все соединения цемента прореагируют полностью (в действительности достичь этого невозможно, и предельные значения параметров оказываются несколько меньшей величины).
Трехкальциевый силикат С38 (алит), являющийся основным носителем свойств цемента, реагирует с водой достаточно быстро. Еще быстрее гидратируют трех-кальциевый алюминат С3А и четырехкальциевый алю-моферрит C4AF. Причем увеличение температуры приводит к значительному ускорению гидратации этих
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q-j*jjсу,rfSj\Ljj.jLjjS
52 март 2010
соединений. Напротив, двухкальциевый силикат С23 (Р—С28 модификация) реагирует с водой намного медленнее, хотя и непрерывно. Есть основания полагать, что через сутки после затворения цемента и применения тепловой обработки гидратация этого соединения еще практически отсутствует [4, 5], т. е. В«0. Таким образом, в формуле (1) полностью отсутствует второе слагаемое, и даже при высокой степени гидратации остальных соединений можно достичь лишь определенной прочности, что получено экспериментально (рис. 1).
В отличие от других компонентов цемента гидратация С3А и C4AF имеет более сложный характер и состоит из трех последовательных стадий, сопровождающихся рекристаллизацией продуктов гидратации [4]. Первоначально, т. е. на первых двух стадиях, образуются соединения, имеющие псевдогексагональную кристаллическую решетку. На третьей стадии формируется кубическая решетка, что сопровождается значительным уменьшением механической прочности материала. Причем на образование кубической формы очень сильное влияние оказывает температура; при нормальной температуре (не более 20—25оС) процесс протекает очень медленно и измеряется годами; при температуре 30—35оС и выше он многократно ускоряется и исчисляется сутками и даже часами. Такое превращение кристаллической решетки означает существенное уменьшение в формуле (1) коэффициентов c и d (не менее чем в 2 раза [4]) и приводит к отмеченному выше изменению характера зависимостей (рис. 1) в соответствии с долей компонентов С3А и C4AF в цементе.
Для практического использования полученных результатов (рис. 1) их удобно представить в трехмерной системе координат в виде поверхности RCym=f(Тuзоm, ^изот) (рис. 2).
Там же показана горизонтальная плоскость, расположенная на уровне Rоmn, которая пересекает поверхность экспериментальных значений RCym=f(Тизоm, Дtизоm). Графическим способом была получена область пересечения этих поверхностей и ее проекция на горизонтальную координатную плоскость (рис. 2). Полученная область значений соответствует допустимым сочетаниям
параметров изотермической стадии Тизот и ЬХизот
20
15
10
60
80
Рис. 2. Зависимость суточной прочности бетона от температуры и длительности изотермической стадии: 1 - участок поверхности Ясуг=(Тшот> Дизот)> Яотп; 2 - горизонтальная плоскость на уровне Яотп; 3 - участок поверхности Ясуг=АТтот, Дизот)< Яотп; 4 - линия пересечения поверхностей;
при
которых поверхность RCym=f(Тизоm, Дtизоm) располагается выше плоскости Rоmп, т. е. достигается требуемый результат электротепловой обработки бетона — его суточная прочность имеет величину не ниже отпускной RCym >Rоmп. Следует иметь в виду, что полученная область допустимых параметров по величине Дизот ограничена максимальным значением этого параметра, использованным в экспериментах.
Полученная область допустимых сочетаний параметров изотермической выдержки является основой для последующего и окончательного выбора Тизот и Дtизоm. Из рис. 2 видно, что при температуре изотермической стадии свыше 75оС минимальная длительность составляет менее одного часа, т. е. имеет сравнительно малую величину. Это означает, что существует возможность применения электротепловой обработки в сочетании с выдерживанием обрабатываемого изделия после его разогрева до требуемой температуры. В этом случае источник питания технологической установки будет использоваться только на стадии нагревания, т. е. сравнительно непродолжительное время, а затем переключаться на следующее изделие. После стадии нагревания последует стадия охлаждения с требуемой и небольшой скоростью снижения температуры, которую можно обеспечить применением соответствующей теплоизоляции. Одновременно благодаря однородному выделению тепла в объеме бетона при пропускании через него электрического тока [1, 3] можно в несколько раз сократить продолжительность стадии нагревания. Это позволит достичь максимальной эффективности использования технологического оборудования и высоких технико-экономических показателей электротепловой обработки.
Для создания такого технологического процесса требуются дополнительные исследования и разработка математической модели набора прочности бетоном при электротепловой обработке с учетом интегрального воздействия повышенной температуры при заданном законе ее изменения во времени.
Таким образом, установлено, что существует достаточно обширная область допустимых сочетаний температуры Тизот и длительности изотермической стадии Дtизоm электротепловой обработки, при которых достигается требуемый результат : суточная прочность бетона оказывается не ниже отпускной.
Полученные результаты открывают возможность оптимизации электротепловой обработки бетона и разработки эффективных технологических процессов такой обработки, например с существенным сокращением стадии нагревания и термосным выдерживанием изделий после электроразогрева.
Список литературы
1.
3
Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Соколов А.М. Исследование параметров электротепловой обработки бетона токами различной частоты // Строит. материалы. 2009. № 5. С. 51-53. Афанасьев А.А. Бетонные работы. М.: Высшая школа, 1991. 288 с.
Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях/ Под ред. Б.А. Крылова, С.А. Амбар-цумяна, А.И. Звездова. М.: НИИЖБ, 2005. 275 с.
4. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона. М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961. 530 с.
5. Козлова В.К., Ильевский Ю.А., Карпова Ю.В. Продукты гидратации кальциево-силикатных фаз цемента и смешанных вяжущих веществ. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. 186 с.
R
кр
Т °г
изот'
5 - область допустимых сочетании Тизот и o.tmm
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
¿VJ : ® март 2010 53
