Взаимосвязь между технологией тепловой обработки и расширением бетона

При тепловой обработке бетон подвергается различным воздействиям, определяющим выбор того или иного режима Особое значение имеют деформации и напряжения, возникающие при нагреве и охлаждении. Нагрев (кроме теплой бетонной смеси) осуществляют в форме после уплотнения уложенной смеси. В результате температурного расширения компонентов смеси объем бетона увеличивается. Особое значение, имеет при этом содержание в смеси воды и воздуха, так как коэффициенты теплового расширения твердых компонентов (цементный камень и заполнитель). При пропарке и обработке горячим воздухом бетон, как уже говорилось, может более, или менее беспрепятственно расширяться как в вертикальном, так и дополнительно в горизонтальном направлении. Преимущество горячей обработки в вертикальных кассетных установках заключается в том, что расширение ограничивается формой, при обработке же горизонтальных изделий с открытой поверхностью имеются условия для свободного расширения. Структурные повреждения возникают лишь при температурном расширении компонентов смеси и прежде всего воздуха и воды. Это тот случай, когда бетон в связи с низкой собственной прочностью и возможностью свободного расширения подвергается пластической деформации, в результате чего после его охлаждения сохраняются остаточные деформации (рис. 1).

Рис. 1. Свободное тепловое расширение воздуха, насыщенного водой, сухого воздуха, воды и составляющих бетон прочных материалов 1 — насыщенный водой воздух; 2 — сухой воздух; 3— вода; цементный камень заполнитель и цемента

Это приводит к потере прочности бетона по сравнению с бетоном нормального твердения, тем более значительной, чем сильнее нарушена текстура бетона. Потери прочности могут составлять до 20%, но, как правило, колеблются от 5 до 15%. Их приходится компенсировать увеличением расхода цемента.
Однако, если при пропарке и горячей обработке горизонтальных изделий (возможность расширения) можно добиться довольно быстрого набора прочности путем достаточного предварительного выдерживания и длительного нагрева, так, чтобы она была к каждому моменту времени больше напряжений сцепления, возникающих в результате температурного расширения, то повреждение бетона, как и при ограничении расширении формой, может быть значительно уменьшено или полностью предотвращено.

При быстром нагреве прочность бетона в связи с возникающими высокими термическими напряжениями, как правило, ниже, чем при медленном повышении температуры. На практике, эти минимальные значения прочности, часто не достигаются до нагрева, так как для этого потребовалось бы длительное выдерживание смеси (до 12 ч), что экономически не оправдывается. Поэтому необходимо компромиссное решение, позволяющее, с одной стороны, путем соблюдения заданного времени предварительного выдерживания и нагрева (табл.) предельно ограничить повреждение бетона и, с другой — ограничить дополнительный расход цемента.

Целесообразны стадийный нагрев или повышение температуры теплоносителя в арифметической прогрессии без предварительного выдерживания, так как при этом по сравнению с классической программой тепловой обработки, при которой температура повышается линейно, суммарное время предварительного выдерживания и нагрева можно сократить без значительных нарушений текстуры бетона. При этом увеличение прочности лучше согласуется с увеличением напряжений, чем при линейном повышении температуры.

Рис 2. Расширение бетона при пропаривании Время выдержки tv: 1 - 15 мин; 2 — 1 ч, 3 — 2 ч, 4 — 4 ч, 5 — 6 ч, 6 — 1 сут Вследствие пластических деформаций бетона после охлаждения появляются остаточные деформации. Сокращение времени выдержки приводит к незначительной прочности к началу нагрева и к увеличенным деформациям при нагреве. Вследствие этого наблюдаются повышенные остаточные деформации и значительные потери прочности

Рис. 3. Возможности сокращения выдержки и нагрева за счет различных условий нагрева а - режим с предварительной выдержкой и липсиным подъемом температуры, б — ступенчатый подъем температуры (ступенчатый режим), в — npoгрессивная кривая подъема температуры

Существует также способ ограничения нарушений текстуры горизонтальных элементов, заключающийся в приложении к свободной поверхности механических (металлическая плита) или пневматических нагрузок (несколько повышенное давление пара или воздуха). При этом для быстрого нагрева горизонтальных изделий (пропарка, горячая обработка без предварительного выдерживания) достаточно давление 0,003—0,005 Па Так как температура обработки ограничена плюс 80 — плюс 85° С, то необходимо, в отличие от обработки в автоклавах, получать избыточное давление от компрессоров Выбирать избыточное давление следует в зависимости от размеров камеры таким, чтобы не было необходимости оборудовать ее как камеру напорного типа. На рис. 2 показано влияние механического пригруза на растяжимость бетона с повышенным содержанием воздуха.

Во время фазы прогрева температура бетона остается почти постоянной и поэтому не происходят нарушающие текстуру бетона процессы расширения. При охлаждении возникают растягивающие напряжения на поверхности бетона, так как еще теплая и поэтому растянутая внутренняя зона бетонного элемента противодействует температурному сжатию ее остывшей зоны Если растягивающие напряжения, которые могут увеличиваться при усадке (в результате высыхания), при очень сильном охлаждении превышают прочность бетона на растяжение, то возникают трещины и нарушается текстура, вследствие чего происходят значительные потери прочности бетона Поэтому скорость снижения температуры изделии должна быть менее 40° С/ч. При температуре воздуха ниже 5°. С еще теплые бетонные изделия рекомендуется до их распалубки и складирования под открытым небом выдерживать в течение 12 ч при температуре выше 10" С в закрытом помещении Если это не возможно, то их нужно как можно плотнее штабелировать и закрывать теплозащитными покрытиями, чтобы избежать быстрого охлаждения. По вопросу взаимодействия между условиями тепловой обработки бетона, режимом и технологией можно сделать следующие выводы.

Марка бетона В450 режим тепловой обработки с прогрессивной кривой нагрева и максимальной температурой 65° С. Пунктирная кривая 5 расширения бетона одинакового состава с содержанием воздуха до 15% без пригруза. Относительные деформации бетона с пористостью до 35% при различных величинах пригруза при тепловой обработке по режиму с плавной кривой нагрева и температурой изотермического прогрева 65° С. Признаки деформаций расширения верхней кромки кубика (слева) 0,3 бездефектный бетонный кубик (справа) фаза нагрева, с одной стороны, характеризуется значительным повышением прочности бетона, а с другой во время этой фазы при возможности свободного расширения мо гут возникнуть опасные нарушения, снижающие конечную прочность бетона, при пропарке, горячей обработке (изготовление в кассетных установках) и комбинации одного из эти методов с применением теплой бетонной смеси сокращается общее время обработки (в случае благоприятных ее условий), необходимое для получения той же прочности (см рис 1). Чтобы избежать трещинообразования и потерь прочности, бетон внутри и вне камеры не должен слишком быстро охлаждаться. Потери прочности при тепловой обработке бетона объясняются тремя причинами нарушениями текстуры при нагреве в результате пластических деформаций, нарушениями текстуры в результате слишком быстрого охлаждения, укрупнением структуры цементного камня вследствие высокой экзотермии бетона на портландцементе.

Таким образом, при горячей обработке в кассетных установках, а также при использовании теплой смеси происходят потери прочности, которые, однако, меньше, чем при пропарке, так как первая причина снижения прочности полностью пли в значительной мере отпадает.

Влажностные условия и уход за бетоном

Бетон относится к числу капиллярно-пористых тел. Вода перемещается в бетоне всегда в направлении теплой зоны к холодной. Поэтому при нагреве возникает направленный внутрь поток влаги, усиливающийся конденсационной водой. В результате могут возникнуть, особенно при пластичной консистенции смеси и быстром повышении температуры, направленные капилляры, повышающие водопроницаемость бетона и ухудшающие его долговечность. Образование конденсата, кроме того, часто приводит к повреждениям поверхности. Уже во второй половине фазы прогрева и во время охлаждения поток влаги изменяет направление, и бетон начинает высыхать. При этом происходит усадка поверхности, повышающая опасность трещинообразования.

При сильном обезвоживании происходит необратимое укрупнение пористости, отрицательно влияющее не только на прочность, но на морозостойкость и другие свойства бетона. Отсюда следует, что наилучшие качества бетон приобретает, если уже во время тепловой обработки предотвращается его высыхание. Это достигается, например, путем обрызгивания его теплой водой во второй половине фазы нагрева или при охлаждении после пропарки. При горячей обработке изделия с открытой поверхностью незащищенный бетон начинает высыхать уже во время нагрева. В СССР «Руководства по тепловой обработке» рекомендует в этом случае перекрывать поверхность бетона слоем воды до достижения прочности 0,3—0,5 МПа. Количество воды должно быть таким, чтобы она испарилась к концу тепловой обработки. Этот способ защиты требует соответствующей конструкции форм и поэтому на практике не всегда может быть реализован Однако следует проверить, нельзя ли для новых конструкций предусмотреть с самого начала этот несомненно эффективный метод защиты от испарения. Применение пневматического избыточного давления создает благоприятные условия для ухода за бетоном, гак как давление противодействует испарению воды.

Исследования показали, что уменьшение относительной влажности теплоносителя во время нагрева до 40-60% приводит к повышению прочности, если во время последующего прогрева обеспечивается его относительная влажность 90— 95%. В основном это объясняется тем, что из-за отсутствия процесса конденсации влаги и начинающегося испарения воды в бетоне по аналогии с усадкой создается капиллярное давление порядка 0,1 МПа. Этого давления, действующего как наружный пригруз, достаточно для значительного ограничения разрушения бетона Однако во время прогрева следует обеспечить высокую относительную влажность, чтобы избежать обезвоживания бетона. Из сказанного можно сделать вывод, что сохранение влаги в бетоне во время и после тепловой обработки хотя и требует повышенных затрат, но одновременно улучшает свойства бетона и позволяет уменьшить расход цемента.