CC BY
10Аниканова Т. В., канд. техн. наук, доц., Рахимбаев Ш. М., д-р техн. наук, проф.
Половнёва А. В., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТВЕРДЕНИЯ ПОРОБЕТОНОВ
pogrom7@ yandex.ru
Известно, что в Российской Федерации и странах ближнего зарубежья тепловая обработка изделий из тяжелого бетона обычно производится при температуре 80-90оС. При этом происходит большой перерасход топливо-энергетических ресурсов, так как при пропарке используется до 20% энергии, которая тратиться на производство вяжущих.
В промышленно развитых странах в последние два десятилетия практикуется пропарка цементных бетонов при температуре 40оС, однако теоретическое обоснование и подробное исследование кинетики твердения при этой температуре отсутствует. В работах южно-африканских специалистов показано, что 40оС является оптимальной температурой тепловой обработки пенобетонов с плотностью 1100 кг/м3, что втрое больше, чем у исследованных нами составов. В связи с этим ниже излагаются результаты исследования влияния тепловой обработки на кинетику твердения пенобетона со средней плотностью 300 - 600 кг/м3.
Ключевые слова: тепловая обработка, средняя плотность, прочность пенобетона, кинетические константы.
Введение. В работе [1] показано, что решающее влияние на прочность поробетона оказывает удельная прочность матрицы. От прочности матрицы зависит величина соотношения
плотности к прочности (): для пенобетона эта
величина составляет 500-800 при средней плотности 300-500 кг/м3, для пеностекла - 100-200 [2]. Для современного уровня прочности поро-бетона величина прочности матрицы составляет 20...25 МПа. Для ее повышения, особенно при пониженной средней плотности поробетона < 500 кг/м3, необходимо максимально увеличить количество и прочность коагуляционных и кон-денсационно-кристаллизационных фазовых контактов между взаимодействующими частицами исходной смеси в процессе структурообразова-ния и твердения газобетона. При автоклавном твердении это достигается достаточно устойчиво и полно при использовании различных видов вяжущих и заполнителей, чему способствует повышенная температура, при которой резко ускоряется диффузионный массообмен, обеспечивающий возникновение большого количества хорошо закристализованных прочных фазовых контактов из низкоосновных гидросиликатов кальция и тоберморита между минеральными частицами вяжущих и заполнителей.
При неавтоклавном твердении для достижения аналогичных автоклавному качественных показателей поробетона приходится использовать в качестве основного вида вяжущего портландцемент, а в качестве заполнителей и наполнителей - вещества с повышенной поверхност-
ной активностью, обеспечивающие возникновение фазовых контактов между частицами вяжущих и заполнителей, но в меньшем количестве и менее прочных и закристаллизованных, чем при автоклавном твердении в начальные сроки. Однако в последующие сроки, в отличие от автоклавного, неавтоклавный поробетон продолжает набирать прочность за счёт образования новых контактов и повышения степени кристаллизации имеющихся связей. В результате прочность неавтоклавного поробетона может со временем оказаться выше автоклавного. Позитивная динамика изменения свойств неавтоклавного по-робетона предопределяет повышенную надёжность и долговечность конструкций на его основе. Прочность неавтоклавного пенобетона со временем также увеличивается, но более медленно в связи с экранирующим действием пенообразователей и других ПАВ.
Основная часть. Воздействие на бетон повышенных начальных температур вызывает неблагоприятное влияние на длительную прочность бетона. Снижение прочности при этом обусловлено образованием микротрещин и других дефектов структуры камня, вызванных высоким градиентом температур при тепловой обработке [3]. Увеличение содержания воздушных пор и пустот в пенобетоне ограничивает вредное воздействие термоградиента, а обработка при повышенных температурах может значительно улучшить его прочность. Влияние условий твердения на развитие прочности пенобетона представлено в табл.1.
Таблица 1
Влияние тепловой обработки на рост
Возраст, сутки Прочность при сжатии в процентах от 28-сут. прочности (температура тепловой обработки, оС)
22 40 50 60 70
3 26 50 78 145 150
7 47 115 162 164 152
28 100 234 206 175 152
56 149 250 206 177 158
Авторами [3] показано, что температура твердения оказывает существенное влияние на рост прочности пенобетона во времени, и в зависимости от процесса производства и требуемых сроков по отгрузке материала, скорость набора прочности может быть откорректирована. При твердении пенобетона при температуре 70°С максимальная прочность достигается в течение 3-х суток, что на 50% выше, чем прочность, измеренная в 28-суточном возрасте при температуре твердения 22°С. Даже после 7 суток прочность пенобетона, твердевшего при температуре 40°С, выше 28-суточной прочности
пенобетона при температуре 22°С. Недостаток ускоренного набора прочности заключается в снижении предельной прочности, а результаты испытаний показывают, что пенобетон, твердевший при температуре 40°С, имеет наивысшую длительную прочность (возраст 56 суток).
Константы кинетики твердения были рассчитаны по уравнениям теории переноса [4, 5]:
Т Гт
сг
т
а
/о \
) о
+ к2 ■ г,
(1)
(2)
где т - время твердения (гидратации), сут; а -предел прочности при сжатии, МПа; (т/а)0 - величина, обратная начальной скорости твердения (гидратации), сут/МПа; к и к2 - коэффициенты торможения процесса твердения (гидратации). Уравнение 1 описывает кинетические процессы, происходящие с экстенсивным торможением во времени, уравнение 2 - с интенсивным. Результаты расчета представлены в табл. 2.
Влияние температуры твердения материала на кинетические константы
Таблица 2
Температура твердения материала, оС Значения кинетических констант по формуле 2
Начальная скорость и0, МПа/сут Коэффициент торможения к4ог, МПа-1 Коэффициент корреляции кког
1 2 3 4
22 8,69 0,0049 0,9866
40 23,84 0,0032 0,9937
50 59,48 0,0045 0,9979
60 265,35 0,0056 1
70 373,12 0,0063 0,9998
Начальная скорость и0 увеличивается по мере повышения температуры твердения. Максимальную начальную скорость твердения имеют образцы, подвергавшиеся тепловой обработке при температуре 70оС (и0=373,12). Однако, при оценке прочности образцов в отдаленные сроки следует учитывать и коэффициент торможения, а он при 70оС самый высокий к1ог=0,0063. Из табл. 2 видно, что наименьший коэффициент торможения имеют образцы, подвергающиеся тепловой обработке при температуре 40оС (ког=0,0032). Это говорит о том, что прочность материала будет сильнее всех увеличиваться во времени. Исходя из этого, можно предположить, что пенобетон, подвергшийся тепловой обработке при температуре 40оС, будет иметь высокие прочностные показатели в отдаленные сроки твердения.
Для проверки этого предположения образцы из пенобетона разных составов подвергли тепловой обработке. ТО проводилась при температуре 40 и 90оС. Режим обработки: 2+5+2ч. В качестве добавок вводили 0,3% поташ М. и 0,4%
СК. Вид добавок и их дозировка были определены по результатам исследований [6].
После формования образцы выдерживали 5-6 часов до момента схватывания, затем их помещали в пропарочную камеру, где подвергали тепловой обработке. После обработки образцы твердели в нормальных температурно-влажностных условиях. В возрасте 3, 7, 28 суток образцы испытывали на прочность при сжатии (изгибе). Так как средняя плотность образцов, твердевших при разных температурах, была разной, то для более объективной оценки результатов сравним коэффициенты конструкционного качества (ККК), выраженные в процентах. Результаты представлены на рис. 1.
При твердении пенобетона без добавок в нормальных условиях образцы, пропаренные при температуре 90оС, имели ККК в 28ми суточном возрасте на 9% выше, чем образцы, не подвергавшиеся тепловой обработке, тогда как после тепловой обработки при температуре 40оС уже после 7ми суток твердения ККК выше на 18%. Это дает основание предположить, что при
1=40°С наблюдается ускорение твердения. Наибольший прирост ККК при 90оС наблюдается при введении в систему 0,4% ускорителя
твердения СК (28 сут. - 245%). При 40оС такой эффект дает поташ М.
а)
б)
130 120 110 ^ 100 90 80 70
150 140 130 120 110 100 90 80 70
-□
10 15 20 Время твердения, сут.
25
30
■ 20оС
- 40оС
■ 90оС
-Д
10 15 20
Время твердения, сут.
- 20оС —□— 40оС —Д— 90оС
25
30
0
5
0
5
в)
300
250
200
£
V 150
V
100
50
0
/
д А
- 1Л А
^-о—
10 15 20
Время твердения, сут.
- 20оС -о— 40оС —А— 90оС
25
30
Рис.1. Влияние тепловой обработки на ККК пенобетона, состоящего из: а) ПЦ500 Д0+0,1Пен; б) ПЦ500 Д0+0,1Пен+0,3поташ М.; в) ПЦ500 Д0+0,1Пен+0,4СК
0
5
С помощью уравнения теории переноса рассчитаем кинетические константы твердения пенобетона. Результаты расчета представлены в табл.3.
Следует отметить, что коэффициент корреляции находится в пределах от 0,9897 до 1. Это говорит о высокой адекватности уравнения 2
фактических экспериментальных данных расчеС повышением температуры твердения материала до 90оС начальная скорость увеличивается. Больше всего на рост и0 повлияло введение 0,4%СК (И0=9,16МПа/сут.). У образцов состава ПЦ500Д0+0,1Пен с ростом температуры тепловой обработки до 40оС начальная скорость
увеличилась в 1,86 раза (с 0,77МПа/сут. до 1,43 МПа/сут.). А повышение температуры ТО до 90оС увеличило Ц0 в 1,81 раза (с 0,77МПа/сут. до 1,39 МПа/сут.). Коэффициент торможения с
ростом температуры снизился: 1=40оС - до 0,9741МПа-1; 1=90°С - до 1,1122МПа-1. Таким образом, оптимальной температурой ТО для состава ПЦ500Д0+0,1Пен является 40оС.
Таблица 3
Влияние температуры твердения материала на кинетические константы
Доб., % Температура твердения материала, оС Значения кинетических констант по формуле 2
Начальная скорость и0, МПа/сут Коэффициент торможения к4ог, МПа-1 Коэффициент корреляции кког
без доб. 20 0,77 1,7094 1
40 1,43 0,9741 0,9999
90 1,39 1,1122 0,9999
0,3% поташ М. 20 0,44 1,6765 0,9997
40 0,78 0,8153 0,9999
90 0,9 0,9563 0,9988
0,4% СК 20 0,17 2,4071 0,998
40 0,35 0,5667 0,9897
90 9,16 1,3114 1
При введении в систему 0,3% модифицированного поташа начальная скорость увеличилась с ростом температуры, а коэффициент торможения уменьшался: самый низкий ког=0,8153 МПа-1 наблюдался при 1=40оС. При введении 0,4% СК самый низкий коэффициент торможения имели образцы, твердевшие при температуре 40оС. Из экспериментальных (см. рис. 1) и расчетных данных (табл. 3) следует, что наиболее эффективной для пенобетона является ТО при температуре 40оС. Так же, как и у авторов [3] эта температура является оптимальной.
Выводы. Таким образом, наши исследования полностью подтвердили данные зарубежных авторов, в частности Э.П. Киерсли, об эффективности тепловой обработки при температуре 40оС. Необходимо подчеркнуть, что переход от пропарки при 80-90оС к 40оС не только улучшает кинетику твердения бетонов, в том числе пе-нобетонов, но и дает огромную экономию топливо - энергетических ресурсов. Величины начальной скорости и коэффициента торможения, рассчитанные по уравнению теории переноса, позволяют оценить влияние температуры тепловой обработки на интенсификацию процессов твердения и структурообразования. Это дает возможность сопоставить между собой результаты разных авторов и определить оптимальную температуру тепловой обработки пе-нобетонов низкой плотности. Установлено, что теплоизоляционные пенобетоны, плотностью 350-400 кг/м3 плохо подвергаются действию высоких температур. Оптимальной температурой в
данном случае является 40оС. Введение поташа М эквивалентно повышению температуры пропарки примерно на 15-20оС, а СК значительно улучшает кинетические показатели твердения при 90оС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сахаров Г.П. Эффективные материалы с повышенными теплозащитными и строительно-эксплуатационными свойствами. Поробетон-2005, С. 39-49.
2. Шелковникова Т.И., Баранов Е.В. Исследование влияния теплофизических факторов на процесс формирования структуры пеностекла // Огнеупоры и техническая керамика, №10, 2006, С.21-24.
3. Э.П Киерсли. Развитие использования пенобетона в строительной индустрии. Поробе-тон-2005, С. 17-24.
4. Рахимбаев Ш.М., Половнева А.В. Теоретическое обоснование энергоэффективной тепловой обработки бетона // Известия вузов. Строительство. 2014. №3. С. 22-26.
5. Рахимбаев Ш.М, Поспелова М.А., Ели-страткин М.Ю. Кинетика твердения вяжущих веществ: Методические указания. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. 43с.
6. Рахимбаев Ш.М., АникановаТ.В. Пено-бетонные смеси с ускоренными сроками схватывания // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 1. С. 15-17.
