CC BY
7UDC 691.327.624.072
ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО КЛИМАТА
Хакимов Шукрулло Абдурахманович НамИСИ., к.т.н. проф. 93.408-99-25; b-mamadov@mail.ru
Мамадов Боходир Алишерович НамИСИ., преп. 99-910-60-55; mamadov.baxodir85@gmail.com
Аннотация. В данной статье освещены физичекие деструктивные процессы в начальной период твердения, а также физико-механические свойства бетона и результаты эксперимента твердеющего бетона в летнее время года. Кроме того, колебания температуры и влажность воздуха неблагоприятно влияют на формирование структуры бетона, что в свою очередь приводит к снижению его прочности.
Abstract. This article presents the results of experiments on the physical processes that occur during the hardening process of concrete in dry hot-climatic seasons and the reduction of their negative effects - as well as on the physical and mechanical properties.
Annotatsiya. Maqolada quruq issiq - iqlim mavsumlarida betonning qotish jaroyonida xosil bo'ladigan fizik destruktiv o'zgarishlarni kamaytirish - bartaraf etish masalalari va shuningdek fizik-mexanik xossalari to'g'risida tajriba natijalari keltirilgan.
Ключевые слова. деструктивные процессы, пластическая усадка, уход за бетоном, испарение воды, водно дисперсной состав, температура окружающей среды, жаркий и сухой климат, обезвоживание бетона, структура бетона, процесс гидратации цемента, прочность.
Keywords. dry hot climate, evaporation, plastic sinking, concrete care, ambient temperature, continuous evaporation,heat treatment, temperature gradient, surface modulus, environmental heat.
Tayanch so'zlar. quruq issiq iqlim, bug'lanish, plastik cho'kish, beton parvarishi, suvda eruvchi tarkib, parda xosil qiluvchi tarkib, atrof-muxit harorati.
Введение. Сухой жаркий климат характерен для значительной части южных и юго-восточных районов нашей страны. Отличительной его особенностью является высокая температура воздуха (минимальная выше 30°С средняя в 13 ч дня выше 25°С) при относительной влажности менее 50%. При температуре наружного воздуха 35-45°С, относительной влажности 10-25 %, интенсивной солнечной радиации и частых ветрах происходит быстрое обезвоживание бетона, что приводит к замедлению и даже прекращению твердения бетона. Такая солнечная радиация наблюдается в течение 6-7 месяцев в году в регионах страны южнее 50°с.ш., и изготовление изделий в течение этого периода времени, возможно без дополнительного подвода тепла, получаемого при традиционных методах прогрева. В условиях сухого жаркого климата должно быть примерно в 1,5 раза увеличено время перемешивания смеси, обеспечена перевозка в закрытой таре, ограничено время перевозки и сведены к минимуму перегрузки. При этом следует иметь в виду, что даже при 30...35°С при В/Ц=0,83 смесь полностью теряет подвижность через 40 мин. Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий проводится до достижения распалубочной, отпускной, а для предварительно напряженных изделий передаточной прочности. Под распалубочной прочностью подразумевается необходимая прочность бетона, по достижению которой возможны
выемка изделия из формы без повреждений и безопасное транспортирование к месту хранения [1.2.3.4.5.6].
Цель исследования. Существенно, что помимо сбережения энергоресурсов и простоты осуществления этого технологического передела обеспечивается высокое качество изделий, что не всегда достигается существующими методами тепловой обработки [1.2.3.4].
Преждевременное обезвоживание бетона отрицательно сказывается на его прочности - он становится пористым, появляются трещины, резко снижается водопроницаемость. Большое внимание при этом необходимо уделять подбору компонентов бетонной смеси. Следует использовать портландцемент, а шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент применять не рекомендуется. Для этого применяют высокоактивные, но малоусадочные цементы, химические добавки -ускорители твердения, а также методы тепловой обработки. Метод тепловой обработки может оказаться наиболее эффективным, так как позволяет не только уменьшить опасность обезвоживания, но и получить необходимую прочность бетона в наиболее короткие сроки. При этом нужно иметь в виду, что после приобретения бетоном 70...80% проектной прочности он не требует в условиях сухого и жаркого климата какого-либо специального ухода. Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий является одним из наиболее длительных и ответственных процессов в технологии их производства. Сущность ее состоит в том, что при повышении температуры до 80 - 100°С скорость реакции гидратации вяжущих веществ увеличивается [1.2.3.4.5]. Ввиду того, что систематическое увлажнение бетона в процессе ухода за ним при дефиците воды в ряде районов страны связано со значительными затратами, целесообразно применять так называемые безвлажностные методы ухода за бетоном, к которым относятся выдерживание бетона под специальными воздухонепроницаемыми колпаками из поливинилхлоридной пленки или покрытие его поверхности специальными пленкообразующими составами [6.7.8.9.10.11.12]. В целях изучения влияния начальной температуры бетонной смеси и температуры окружающей среды на режимы тепловой обработки бетона было проведено ряд исследований.
Объект и метод исследования. Результаты исследований показали, что начальная температура бетонной смеси существенно влияет на характер нарастания прочности бетона приготовленного на портландцементе. Отпускная прочность бетона: для изделий из тяжелых бетонов всех классов и легких бетонов класса В7.5 и выше - 70%; для легких бетонов класса ниже В7.5 - 80%; для бетонов автоклавной обработки - 100% проектной прочности. В тех случаях, когда количество поступающей солнечной энергии оказывается меньше этих величин, необходимо подводить к изделиям дополнительную тепловую энергию от дублирующих источников тепла, т.е. переходить к комбинированной гелиотермообработке бетона (КГТО).
В качестве дублирующих источников энергии при КГТО могут быть использованы такие виды, как пар, электроэнергия, горячая вода, минеральные масла, воздух, продукты сгорания природного газа и т.п. Передача тепла бетону с помощью таких теплоносителей может осуществляться двояко: путем внешнего воздействия при подведении его извне и за счет образования его внутри самого бетона[15.16.17.18.19.20]. В соответствии с этим все перечисленные виды традиционных теплоносителей составляют отдельную группу, объединенную тем, что тепло от них к бетону передается контактным способом. Правда, электрическая энергия, кроме этого, может выделять тепло и внутри бетона, если
последний выполняет роль сопротивления при прохождении через него тока. Контакт теплоносителя с бетоном происходит через разделительную перегородку, благодаря чему с позиций процессов тепло-переноса ставит все рассматриваемые теплоносители в одинаковое положение с точки зрения использования их при КГТО бетона. В процессе проведения прогрева режимы строятся таким образом, чтобы к минимуму свести расход энергии от дублирующих источников. При этом экономия энергоресурсов должна учитывать и экзотермии цемента, которая при прогреве протекает довольно интенсивно. При конструировании нагревательных устройств следует стремиться к уменьшению тепловых потерь в окружающую среду как от самого нагревателя, так и от нагреваемых им частей бортоснастки форм и бетона. Теоретически такие потери приводят к тому, что КПД электронагревательных устройств на базе, например, плоских нагревательных элементов, передающих тепло бетону только путем теплопроводности и не теплоизолированных от наружного воздуха, как правила, превышает 50%; для линейных (круглых) при тех же условиях КПД составляет не более 35%.
Методы исследований. Однако практически эти потери могут быть существенно уменьшены за счет создания замкнутых воздушных прослоек, использования теплозащиты из материалов с невысокими коэффициентами теплопроводности, создания теплоотражающих экранов и др [14.15.19.20.21.22.23].
Любой из действующих в настоящее время гелиополигонов выпускает продукцию довольно широкой номенклатуры отличающуюся геометрическими размерами, видом и классами бетона. Это заставляет подходить к режимам КГТО дифференцированно с учетом погодно - климатических факторов географического района и номенклатуры выпускаемых изделий, поэтому при использовании КГТО бетона в действующих на производстве формах (особенно в термоформах), целесообразно при выборе дублирующего источника энергии ориентироваться на пар или электрическую энергию. Применение пара в качестве дублирующего источника энергии при комбинированной гелиопаротермообработке бетона (КГПТО) на практике обычно не вызывает особых затруднений, так как при этом используется принцип работы широко известных термоформ. Преимущество такого варианта заключается в том, что с помощью электронагревателей, размещаемых, например, на днище форм, равномерно можно прогревать железобетонные изделия независимо от электрофизических свойств бетона, характера и степени его армирования [13.14.15].
Результаты исследований. Исследования выполнены на экспериментальном стенде, представляющем собой незатененную площадку с размерами в плане 3x6 м, засыпанную керамзитовым гравием толщиной 15 см. Предварительно на эту площадку с песчаногравийным основанием уложили один слой пленки, засыпали его керамзитовым гравием, затем керамзит покрыли еще слоем пленки и асфальтобетоном. По краям экспериментальный стенд был плотно закрыт бетонными бордюрами, установленными до засыпки керамического гравия. Все это позволило в процессе проведения экспериментов поддерживать керамзит постоянно в сухом состоянии, ограничить конвективный теплообмен и, тем самым, в любой период года обеспечить высокую теплоизоляционную способность стенда (рис. 1). В данной серии экспериментов использовали бетонную смесь с В/Ц=0,54 и О.К=6-8 см на портландцементе М 400 Кувасайского цементного завода, кварцевом песке с Мк=1,8 и плотном гравии фр=5-20 мм Акташского карьера Наманганской области. Готовую смесь в 9 ч.30 минут утра укладывали в заранее подготовленные формы.
Рис.1.Обший вид стенда для проведения эксперимента
Под влиянием быстрого обезвоживания бетонной смеси, различного теплового расширения компонентов и пластической усадки бетона в еще не окрепшем бетоне развиваются деструктивные явления, снижающие его конечную прочность почти на 50% по сравнению с бетоном, выдерживаемым в нормальных тепловлажностных условиях. Обезвоживание бетона может быть сведено к минимуму и за счёт сокращения времени его выдерживания путём интенсификации процесса твердения.
Таблица-1
Прочность бетона на портландцементе при различных режимах тепловой обработки
Ва № Параметры Началь В/Ц Осадк Режим Прочность бетона при сжатии,
ри Се среды в ная тем а Кон пропарив МПа через
ант р камере при перату уса, ания, час 4 часа 3 сут 28 28 сут
ы ий предварител ра см после сут норма
ьной бетонн ТВО льного
выдержке ой тверде
^ o C п смеси ния
, % Т б.с ,
. о С
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 15-16 70- 15 0,65 2-2,5 2+3+5+4 16,4 19,3 25,8 28,5
75 60 71 93 100
I 2 20-21 70- 20 0,65 2-2,5 2+3+6+4 17,6 21,2 28,1 30,1
75 60 71 93 100
3 26-28 48- 22-25 0,65 2-2,5 2+3+6+4 19,5 21,1 29,4 31,1
50 64 71 94 100
II 4 26-28 48- 22-25 0,65 2-2,5 2+3+5+4 16,6 20,8 29,1 31,2
50 58 70 94 100
5 26-28 48- 22-25 0,65 2-2,5 2+3+4+4 14,5 20,1 28,5 31,3
50 57 16 90 100
Примечания. 1). Над чертой-прочность бетона, МПа, под чертой -% от Rнл28 .
2).6* - остывание бетона со средней скоростью 3-4°С/час в течение 6 часов осуществлено при открытом регулирующем шибере вентиляционного канала камеры.
3). Бетоны в сериях №1 и 2 приготовлены без подогрева воды, т.е. по обычной технологии
и предварительно выдержаны в цехе в течение 2 часов указанных в таблице условиях [15.16.17.18.19.20].
Одним из технических приемов, в немалой степени влияющих на КПД устройства, является правильный выбор электронагревателей. Основным требованием при таком выборе должно являться условие обеспечения равномерности прогрева изделий. Это условие соблюдается, когда площадь контактирующей с палубой формы поверхности нагревателя соответствует обогреваемой площади днища формы, т.е. имеет место одинаковый коэффициент заполнения для всех видов нагревателей. Анализ этого условия показывает, что некоторым преимуществом в данном случае будут обладать плоские электронагреватели, имеющие меньшую поверхность по сравнению, например, с круглыми и при одинаковых мощностях будут иметь более высокую температуру нагрева и меньшие тепловые потери. Уравнивание электротехнических параметров различных нагревателей позволяет производить их выбор для КГТО на основании учета технологических факторов производства работ. К таковым относится, прежде всего, способ передачи тепла бетону.
Как известно, в условиях сухого и жаркого климата в результате воздействия солнечной радиации, высокой температуры, низкой влажности и суховеев из свежеуложенного бетона испаряется вода затворения, необходимая для гидратации цемента и в результате бетон не набирает необходимую прочность. Особенно, отрицательное воздействие условий твердений в летнее время года осуществляется при бетонной облицовке каналов, имеющие толщину 20-30 см. Одним из путей решения этой проблемы является ускорение твердения бетона, так как при быстром наборе прочности бетон может сопротивляться отрицательному воздействию среды твердения. Ускорения процессов гидратации цемента можно достичь, увеличив тонкость помола цемента, введением добавок-ускорителей и пластификаторов, совершенствованием технологии приготовления бетонной смеси.
Для сохранения подвижности бетонной смеси в его состав ввели химические добавки - гидрофильного характера, увеличивающих смачиваемость смеси. Влияние скорости перемешивания на скорость твердения бетонной смеси (набора прочности) определяли испытанием образцов-кубов размерами 15х15х15 см, различных сроков твердения в нормальных условиях твердения (температура 20+ 20С, влажность более 95%). Марочная прочность 10МПа. Для всех замесов (с одинаковым подбором состава) объем бетонной смеси одинаковый-100 л. Марка цемента 400 из Кувасайского цементного завода, кварцевом песке с Мк=1,8 и плотном гравии фр=5-20 мм Акташского карьера Наманганской области. Готовую смесь в 9 ч.30 минут утра укладывали в заранее подготовленные формы [17.18.19.20.21.22.23].
Продолжительность перемешивания бетонной смеси в обычных бетоносмесителях составляет - 2 мин. Чем выше скорость перемешивания цемента с водой, тем интенсивнее идет его растворение. Одновременно идет противоположенный процесс - цементные частицы, находящиеся в воде начинают под действием притяжения объединятся во флоккулы. Распределение воды между флоккулами и внутри них неравномерны. В результате происходит прилипание цементных частиц, при этом эти частицы не участвуют в процессе гидратации цемента.
Результаты испытаний приведены в таблице-2. Как видно из таблицы с увеличение скорости перемешивания бетонной смеси увеличивается скорость набора прочности бетона. Для однотипных изделий наибольший интерес представляет способ КГЭТО, при котором форма не оборудуется нагревательными устройствами, а они сосредотачиваются в одном месте на территории полигона, образуя тем самым самостоятельную греющую
площадку или стенд, включающийся в работу по мере приготовления железобетонных изделий.
Таблица-2
Влияние скорости перемешивания бетонной смеси на скорость набора прочности
бетона
№ Скорость перемешивания Прочность кубов-образцов в МПа, сут
бетонной смеси, об/мин. 1 3 7 28
1 20 1,2 1,6 2,8 9,8
2 50 1,3 1,8 3,1 10
3 600 2,8 5,3 7,2 10
4 700 3,1 5,4 7,2 10
В таблице 2 приведены результаты испытания образцов-кубов для определения влияния химических добавок на скорость твердения бетонной смеси (набора прочности), при раздельной технологии приготовления бетонной смеси, скорость перемешивания 600700 об/мин. Материалы и условия твердения такие же как и в предыдущем испытании. В качестве химических добавок применяли сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и суперпластификатор (С-3), с одинаковым расходом 0,20 (в расчёте на сухое вещество, % массы цемента).
Заключение. Анализ существующих и возможных в настоящее время технических решений, оптимальных для такой технологии, дает основание к тому, чтобы несколько ограничить научно-технический поиск по конструированию новых видов электронагревателей для КГЭТО бетона и сконцентрировать усилия на работах в двух практических направлениях [15.16.17.18]:
-временное, до окончания виброуплотнения бетона, отделение форм от электронагревателей, с последующим соединением с ними в отдельный автономный тепловой агрегат;
-постоянное разделение форм от индивидуальных электронагревателей, с размещением последних вне форм на отдельных постах проведения КГЭТО бетона. Технико-экономические расчеты применения обособленных дублирующих устройств при КГЭТО бетона показывают, что среднегодовая экономия самих источников тепла может составить 60%, в том числе при использовании их в осенне-зиме-весенние периоды года до 25-40%, при полном отказе от них в летнее время года.
ЛИТЕРАТУРА
1.Хакимов Ш.А. Темир-бетон буюмларини ишлаб чикаришда табиий куёш энергиясидан фойдаланиш - Республика илмий амалий конференцияси-ФерПИ,Фаргона. 1997 йил 22-24 май. 65 бет
2.Хакимов Ш.А. Модулъ упругости тяжелого бетона в условиях сухого жаркого климата - Механика муаммолари, ФАН наширёти. 2001йил №3 - 4 сон 39-41 бет.
3.Хакимов Ш. А. Некоторые вопросы оценки сейсмического риска и антисейсми ческого усиления зданий //Исследование сейсмостойкости сооружений и конструкций. -2001. - №. 20 (30). - С. 167.
4.Хакимов Ш.А ва бошкалар., Буглаш камерасида бетонга иссиклик ишлови бериш тартибларини белгилашнинг айрим жихатлари - научно-технический журнал ФЕРпи, Scientific - technical journa. OF FERpi.2005 йил
5.Хакимов Ш.А, Рахимов А, Хамидов А, Сову; хароратнинг бетоннинг иссиклик ишлови тартибларига таъсири //Научно-технический журнал ФЕРпи, Scientific -technical journa. OF FERpi 2005 йил.
6.Хакимов Ш. А. К вопросу учета факторов, влияющих на сейсмический риск //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2005. - №. 6. - С. 50.
7.Хакимов Ш.А b др, Влияние начальной температуры бетонной смеси и температуры среды на режимы пропаривания бетонов - //Научно-технический журнал ФЕРпи, Scientific -technical journa. OF FERpi-2009. № 2.
8.Хакимов Ш.А и др: Двухстадийная тепловая обработка бетона в районах с жарким климатом- //Научно-технический журнал ФЕРпи, Scientific -technical journa. OF FERpi, 2014 йил. №3.
