CC BY
98
УДК 691.32:691.332:693.54:666.965:666.97 А. О. Уткелбаева
магистр, докторант (PhD), Кызылординский государственный университет имени Коркут Ата, г. Кызылорда.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ВЛАЖНОСТНОГО ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА
В статье представлены результаты экспериментальных исследований по разработке технологии изготовления бетонов, при термообработке с использованием солнечной энергии. Использование солнечной энергии является перспективным методом тепловой обработки бетонов в условиях сухого жаркого климата, возможности которого еще не исчерпаны. Сегодня необходимы широкие исследования, которые позволили бы развить методы гелиотермообработки, новые разработки и способствовать их внедрению в производство, и особенно важно развить методы гелиотермообработки с использованием промежуточного теплоносителя в закрытых цехах для различных видов бетона.
Ключевые слова: Солнечная энергия, гелиотехнология, энергоносители, гелиоколлектор, энергоемкость, гелиотермообработка.
Жаркая и сухая погода, вносит серьезные осложнения в технологию бетона и вызывает много негативных последствий. Поэтому блокирование деструктивных процессов, возникающих при протекании пластической усадки бетона, вследствие интенсивного обезвоживания в условиях сухой жаркой погоды, достигается эффективным уходом за бетоном.
Известно, что наибольшее влияние на формирование структуры бетона оказывает начальный период его твердения, при котором интенсивно протекают различные физико-химические и физические процессы [1]. Влиянию обезвоживания бетона, точнее суточных влагопотерь и связанной с ним величины пластической усадки на формирование структуры и прочность бетона посвящены многие работы. Анализ этих работ показал, что основными критериями формирования структуры бетона при твердении в условиях повышенных температур и пониженной относительной влажности окружающей среды, исследователями принимались величины и характер протекания таких физических процессов, как тепловое расширение бетона, его пластическая усадка и величина влагопотерь.
Особое место среди физических процессов, происходящих в свежеуложенном бетоне при гелиотермообработке занимает его обезвоживание. При нарушении технологии гелиотермообработки или неправильно ухоженный бетон в жаркую сухую погоду в течение первых суток теряет до 50-70 % воды затворения, при этом основная ее часть удаляется из бетона в первые 6-7 часов твердения.
Конечный период характеризуется падением интенсивности испарения, которое наступает при определенной влажности бетона. При этом массообмен с внешней средой лимитируется процессом внутреннего массопереноса, происходит углубление зоны испарения и обезвоживания бетона от периферии к центру. Во многих
работах установлено, что влагопотери из свежеуложенного бетона, твердеющего в условиях сухой жаркой погоды, определяются двумя группами факторов. К первой группе относятся такие факторы как вид, минералогический состав цемента, вид и характеристика заполнителей, состав бетона, размеры изделий, а ко второй -температура, относительная влажность воздуха, интенсивность солнечной радиации, сила и направление ветра, атмосферные осадки, а также принятый способ и режим ухода за бетоном. Имеются многочисленные литературные данные, характеризующие влияние параметров внешней среды на потери влаги из свежеуложенного бетона. В соответствии с рисунком 1 [3] приводятся номограммы позволяющие оценить интенсивность обезвоживания бетона по следующим исходным параметрам: температуре бетонной смеси, температуре окружающей среды, относительной влажности воздуха и скорости ветра.
Интенсивное испарение влаги из свежеуложенного бетона приводит к значительной по величине пластической усадке, которая представляет собой в условиях жаркой и сухой погоды физический деструктивный процесс, нарушающий формирующуюся структуру бетона, значительно ухудшающий физико-механические свойства, и одну из причин раннего растрескивания твердеющего бетона. Пластическая усадка бетона и раствора обуславливается как испарением влаги, так и реологическими свойствами материала. Изучая растрескивание бетонов и растворов от пластической усадки, они подтвердили, что основное влияние на него оказывают быстрое испарение воды затворения (чем больше скорость испарения, тем выше скорость протекания усадки).
Исследования процесса тепло- и массообмена в бетонах, твердеющих в различных температурно-влажностных условиях, показали, что чем больше относительная влажность (ф) теплоносителя, т.е пара, тем меньше испаряется влаги из бетона и выше средняя температура образца. Однако эти, казалось бы, несомненные преимущества прогрева в среде с ф=100 % приводят к увеличению деструктивных процессов при прогреве свежеотформованного бетона в открытых формах, вследствие повышения внутреннего давления паровоздушной смеси, так как движущаяся в направлении холодного торца влага «запирает» содержащийся в бетоне и расширяющийся при прогреве воздух.
а) относительная влажность, %; б) температура бетона, 0С; в) скорость ветра, км/ч Рисунок 1 - Влияние температур бетона и воздуха, относительной влажности и скорости ветра на интенсивность испарения влаги с поверхности бетона
Путем изменения параметров т и ф можно управлять градиентами температуры и влагосодержания, определяющих результирующий поток влаги в бетоне в требуемом направлении, благодаря чему представляется возможным выравнивать поле влагосодержания по длине образца, т.е. уменьшить величину и крутизну «волны». При конвективном теплоподводе начальный прогрев бетона целесообразно проводить в среде с пониженной влажностью ф, а затем с целью устранения обезвоживания бетона поднимать ф среды до 100 %.
Прочность бетона на сжатие и растяжение при изгибе, претерпевших только в течение 2,5-3 часов твердения в условиях жаркой сухой погоды значительную пластическую усадку, а затем 28 суток твердевших в нормальных условиях, снижается на 30-50 % (при практически неизменной степени гидратации цемента), водонепроницаемость уменьшается в 3-10 раз, существенно снижается морозостойкость бетона. Изучение структуры бетонов микроскопическим
методом (выдержанных в естественных условиях) в суточном возрасте показало, что внутри образцов есть разрывы и трещины, хотя на их поверхности ничего подобного обнаружено не было. Трещины достигали длины 6-8 мм и ширины до 0,4мм и проходят как по растворной части, так и по контакту с заполнителем [2].
Характер кривых влагопотерь из бетона (рисунок 2) в исследованиях в условиях сухой жаркой погоды в течение 6 ч при 1=360С ф=23 % Кызылординской области показал, что при комбинированной гелиотермообработке бетона, когда прогрев бетона происходит путем совместного использования солнечной и электрической энергии, величина влагопотерь через 6 часов после завершения формования составляет 4,3 и 7,2 % от воды затворения соответственно для вододисперсионнного состава ВПС1 и вододисперсионного состава ВПС2. Образец, твердевший в открытой форме без ВПС потерял за 6ч 36,2 % воды затворения. Таким образом, проведенные исследования подтвердили эффективность комбинированной гелиотермообработки бетона под пленкообразующим составом, ведь при данном способе гелиотермообработки влагопотери не превысили 8 %.
Проблеме влияния величины влагопотерь, интенсивности обезвоживания, пластической на структуру твердеющего бетона в различных температурно-влажностных условиях твердения посвящено довольно большое количество публикаций. Проведенные автором эксперименты также доказывают, что величина влагопотерь при гелиотермообработке и комбинированной гелиотермообработке, которая не сказывается отрицательно на свойствах бетона в суточном возрасте, не должна превышать 10 %.
дУШ %
-I i -----1---+Г
1 Î 3 fi Б 7 В П 1Г1 I, ч
1, 2 - комбинированная гелиотермообработка под ВПС1 ВПС2; 3-гелиоэлектротермо-обработка в открытой форме. Рисунок 2 - Влияние температуры воздуха на интенсивность испарения влаги бетона
В результате проведенных исследований можно заключить, что гелиотермообработанные с применением пленкообразующих составов бетоны характеризуются в основном: плотной структурой растворной части с хорошим сцеплением крупного и мелкого заполнителя с цементирующей массой и примерно одинаковой дифференциальной макропористостью. Бетоны, твердевшие в естественных условиях сухого жаркого климата без ухода, имеют дефектную структуру. Степень гидратации цемента во всех бетонах, подвергнутых термообработке, довольно высокая и незначительно различается по величине.
Что касается структур бетонов, подвергнутых гелиотермообработке в светопрозрачных камерах с использованием вододисперсионных пленкообразующих составов по мягким режимам со скоростью разогрева 2-4 0С в час до температур 50-60 0С, с условной изотермической выдержкой в течение 5-6 часов при этих температурах и медленным остыванием бетона со скоростью примерно 1 0С в час, то такой режим твердения должен положительно сказывается на формировании структуры бетона и его физико-механических свойствах.
При изучении структуры бетонов применялись тяжелые бетоны (образцы 10х10х10 см) марки 300 (класс В25) состава 1:1,08:2,12 с В/Ц=0,5, ОК=5-6см, приготовленные на портландцементе с минеральными добавками Чимкентского завода марки 400 и известняковом щебне Шетпинского карьера фракции 5-20 мм и кварцевом песке с Мкр=2,74; также бетоны марки 200 (класс В15) состава 1:2,35:3,48 с В/Ц=0,6, ОК=6-8 см, приготовленный на портландцементе Чимкентского завода марки 400, гранитном щебне фракции 5-20 мм и кварцевом песке с М =1,88.
кр 3
В задачу исследований входило изучение изменения характера пористости и степени гидратации цементного камня бетона, подвергнутого гелиотермообработке под пленкообразующим составом по сравнению с бетонами, подвергнутыми гелиопрогреву под пленкообразующим составом и электрообогреву под пленкообразующим составом.
В связи с тем, что к моменту проведения исследований РФА исходная смесь растворной части бетона не сохранилась степень гидратации образцов невозможно определить. Было проведено сравнение образцов по гидратации клинкерного минерала алита - С^. С этой целью сканировались рентгеновские спектры образцов. При этом снималась линия фазы алита с d=1,76 Ао. В таблице1 приведены абсолютные интенсивности линии алита с d=1,76 для каждого из трех образцов бетона.
Таблица 1 - Абсолютные интенсивности линии алита
№ Образца Условия твердения Интенсивность линии
1 Гелиотермообработка в светопрозрачной камере под пленкообразующим составом 151
2 Гелиопрогрев под пленкообразующим составом 300
3 Электрообогрев под пленкообразующим составом 117
Видно, что наименьшая интенсивность линии алита 1,76 отмечается в образце 3, подвергавшегося электрообогреву под пленкообразующим составом. Несколько выше интенсивность этой линии в образце 1 и самая высокая интенсивность в образце 2. Чем выше интенсивность линии алита на рентгенограмме, тем больше алита содержится в образце, тем меньше его прогидратировало по сравнению с исходным составом. Поэтому можно утверждать, что наибольшая степень гидратации у образцов, подвергнутых электрообогреву под пленкообразующим составом, немного меньше у образцов, твердевших в светопрозрачной камере под пленкообразующим составом и самая низкая у образцов, подвергнутых гелиопрогреву под пленкообразующим составом.
Исследование пористости структуры поверхностного слоя образцов бетона осуществлялось микроскопическим анализом. Пористость структуры анализировалась петрографически в шлифах под микроскопом и в аншлифах под бинокулярной лупой.
Для приготовления препаратов от исходных бетонных кубиков размером 10х10х10 см были отрезаны пластины параллельно поверхности бетонирования на глубине 10 мм. Анализ пористости образцов проводился по поверхности среза кубика под бинокулярным микроскопом. Из отрезанной части кубика изготавливался шлиф для исследования в проходящем свете.
Просмотр структуры в прозрачных шлифах при увеличении х40 крат показал плотное облегание цементным камнем мелкого заполнителя. Видимые поры при этом не обнаружены.
Под бинокулярным микроскопом при просмотре аншлифов установлено плотное облегание цементным камнем как мелкого, так и крупного заполнителя бетона. Поры размером <0,5 мм хорошо заметны и подсчитаны по сетке. Крупные поры (> 1-2 мм) также распределены по площади. Результаты подсчета пористости представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты подсчета пористости на аншлифах образцов
№ образца Условия твердения Количество мелких пор Количество крупных пор
1 Гелиотермообработка в светопрозрач-ной камере под пленкообразующим составом 131 6
2 Гелиопрогрев под пленкообразующим составом 91 12
3 Электрообогрев под пленкообразующим составом 186 9
Как видно из данных таблицы, наивысшая пористость оказалась в образцах № 3, подвергнутых электрообогреву, на втором месте величина пористости образцов № 1, твердевших в светопрозрачной камере под пленкообразующим составом, и, наконец, наименьшая у образцов № 2, гелиопрогретых под пленкообразующим составом. Однако крупные поры преобладают в бетонах, подвергнутых гелиопрогреву под пленкообразующим составом, а наименьшее их
число в бетонах, твердевших в светопрозрачных камерах под пленкообразующим составом, что вероятно связано с мягким режимом тепловой обработки и условиями твердения [4].
В результате проведенных исследований можно заключить, что бетоны, подвергнутые гелиотермообработке в светопрозрачных камерах, гелиопрогреву и электропрогреву под пленкообразующим составом, характеризуются в основном плотной структурой растворной части с хорошим сцеплением крупного и мелкого заполнителя с цементирующей массой. Однако бетоны, подвергнутые электрообогреву под пленкообразующим составом и гелиотермообработке под пленкообразующим составом, характеризуются повышенным содержанием в растворной части равномерно распределенных мелких по размеру пор и более высокой степенью гидратации, в отличие от бетонов, подвергнутых гелиопрогреву под пленкообразующим составом, которые характеризуются более крупнопористой структурой и более низкой степенью гидратации.
Это в первую очередь, обусловлено тем, что комбинированная гелиотермообработка бетона под светопрозрачной крышкой с использованием пленкообразующих составов происходит за счет совместного воздействия трех источников энергии: солнечной, электрической и тепловыделения твердеющего цемента. На формирование структуры бетонных элементов значительно влияет величина температурных градиентов. При прогреве кубов в первые часы твердения происходит вообще без возникновения температурных перепадов по высоте сечения. В этой связи представляло интерес изучение особенностей структуры и основных свойств бетонов, прошедших различные способы КГТО с применением пленкообразующих составов по сравнению с твердевшими в нормальных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Абдуллаев, М. М. Ускорение твердения бетона сборных изделий в гелиоформах со светопрозрачными теплоизолирующими покрытиями: Дис... канд. техн. наук. - М., 1983. - 217 с.
2 Быкова, И. В. Ускоренное твердение бетона за счет использования солнечной энергии и химических добавок //Совершенствование технологии и расчета железобетонных конструкций. - М. : НИИЖБ, 1984. - С. 20-21.
3 Еремин, Н. Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. - М. : Высшая школа, 1986. - 279 с.
4 Аруова Л. Б. Применение солнечной энергии для интенсификации твердения бетона в Республике Казахстан. - Алматы: Fылым, 2003 г. - 143 с.
Материал поступил в редакцию 01.06.15.
А. О. Уткелбаева
Бетонный к^рылымы к^рылуына температуральщ жене ылгалдьщ
факторлардын есер1
^оркыт Ата атындаFы К^ызылорда мемлекеттiк университет^ ^ызылорда к.
Материал 01.06.15 6acnaFa тYстi
A. O. Utkelbayeva
The influence of temperature and wetness on the structure of concrete
The Korkyt Ata Kyzylorda State University, Kyzylorda s.
Material received on 01.06.15.
Макрлада кун сэулесшщ энергиясын пайдаланып термовщдеу кезтде бетондар дайындау технологиясын зерттеу жвнiндегi тэжiрибелiк зерттеулердщ нэтижелерi кврсетшген. Кун энергиясын пайдалану кургац ыстъщ климат жагдайларында бетондарды жылумен вщдеудщ келешегi улкен эдс болып табышады, оныщ мyмкiндiктерi элi квп. Бyгiнгi тащда гелиотермовщдеу эдктерш, жаща эзiрленiмдердi дамытуга жэне оларды вндiрiске енгьзуге мумкшдж беретт аук^1мды зерттеулер кажет, жэне бетондардыщ эртурлерше арналган жабыц цехтарда аралыц ж^!лутас^!малдагышты пайдалану аркрты гелиотермовщдеу эдктерш дамыту вте мащызды.
The paper presents the results of experimental studies on the development of concrete production technology, with heat treatment using solar energy. Using solar energy is a promising method of thermal treatment of concrete in a hot, dry climate, the capacity of which has not yet been exhausted. Today there is a need in broad investigations that would develop methods of heliothermoprocessing, work out new ones and facilitate their implementation in production, and it is particularly important to develop methods of heliothermoprocessing using intermediate coolant in closed workshops for different types of concrete.
ЭОЖ 669.97.031:67.08
Т. Шайхислам1, С. Т. Мусаханова1, Б. Ч. Кудрышова2
'магистранттар, 2т.г.к., ассоц. профессоры (доцент), С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекетпк университет^ Павлодар к.
еНД1РЮ ЦАЛДЬЩТАРЫ НЕГ1З1НДЕ БЕЛСЕНД1 БЕТОН Б¥ЙЫМДАРЫН еНДРУ MYMKIH^KTEPI
Бул макрлада вндiрiс калдыктары нег1зшде белсендi бетон буйымдарын вндiру эдiстерi сипатталады. Жумыстыщ взектжт осы вндiрiс калдыктары негЫнде шыгар^1латын белсендi бетон курамыныщ ощтайлы нускасын жобалау
Кiлттi свздер: вндiрiс калдыктары, бетон буйымдары, вндiру эдт, боксит шламы, шик1зат.
^a3ipri кезде элемнщ еркенниетт елдершде жиналFан калдыктарды пайдаланудьщ тиiмдi эдктерш карастырып, болашак Yшiн калдыксыз ендiрiс жобаларын кке асырып жатыр. ^азакстанда элемдж тэжiрибелердi пайдаланып, ендiрiстiк калдыктардыц коршаFан ортаFа зияндылы^ын тYрлi сала Fалымдары 124
