Лекція № 8 - теплова обробка бетонних
І ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ВИРОБІВ
На заводах ЗБВ знайшли широке поширення наступні види теплової обробки бетонних та залізобетонних виробів; пропарювання в камерах періодичної або безперервної дії при нормальному атмо-сферними тиску і температурі 60-100 ° С; запарювання в автоклавах при температурі насиченої водяної пари 175-190 ° С і тиску 0,9-1,3 МПа; нагрів в закритих формах з контактною передачею тепла бетону від різних теплоносіїв через огороджувальні поверхні форм; електропрогрев бетону; прогрів в електромагнітному полі, а також з використанням сонячної енергії.
Теплова обробка бетонних та залізобетонних виробів є одним з найбільш тривалих і відповідальних процесів в технології їх виробництва. Суть її полягає в тому, що при підвищенні температури до 80-100 ° С швидкість реакції гідратації в'яжучих речовин збільшується.
Теплова обробка бетонних та залізобетонних виробів проводить-ся до досягнення распалубочной, відпускної, а для попередньо напря-дені виробів передавальної міцності.
Під распалубочной міцністю мається на увазі необхідна міцність бетону, по досягненню якої можливі виїмка вироби з форми без пошкоджень і безпечне транспортування до місця зберігання.
Відпускна міцність бетону згідно ГОСТ 13015.0 повинна бути не менше: для виробів з важких бетонів всіх класів і легких бетонів класу В7.5 і вище - 70%; для легких бетонів класу нижче В%; для бетонів автоклавної обробки - 100% проектної міцності. У холодну пору року відпускна міцність бетону призначається рівною його проектної міцності.
Для попередньо напружених виробів досягають передавальної міцності бетону, яка необхідна до моменту передачі на нього зусиль попереднього натягу.
Так як залізобетонні вироби різноманітні за своїми розмірами, складом, властивостями, способам формування, вимогам до виду і якості по-поверхні, застосовуються різні установки теплової обробки. Ці установки відрізняються за принципом дії - періодичні і безперервні.
До установок періодичної дії відносяться ямні камери, автоклави, касетні установки і касетні форми. До установок безперервної дії відносяться тунельні, щілинні, вертикальні камери, камери прокатних станів.
В якості теплоносія широкого поширення набули пар і паровоздушная суміш, а також підігрітий і зволожений повітря.
При застосуванні в якості джерела теплоти електроенергії нагрів вироби здійснюють при безпосередньому проходженні електричного струму через бетон або за допомогою різних нагрівачів та випромінювачів.
На тривалість теплової обробки впливає мінеральний склад цементу. При застосуванні нізкоалюмінатних цементів тривалість теплової обробки зазвичай становить 13-15 год. Среднеалюмінатние цементи інтенсивно набирають міцність початковий період пропарювання, тому при їх застосуванні тривалість обробки їх становить 10-13 год. Небажано застосування високоалюмінатний цементів, так як після швидкого короткочасного твердіння вони різко уповільнюють зростання міцності як при подальшому прогріванні, так і при подальшому твердінні.
Широке поширення при виробництві збірного залізобетону знайшли шлакопортландцементи і швидкотверднучі портландцемент (ВТЦ, ОБТЦ). Одним із шляхів інтенсифікації режимів пропарювання бетону є введення в бетонну суміш електролітів-прискорювачів твердіння: нітрит-нітрат кальцію (ННК), нітрит-нітрат хлорид кальцію (Н HXK). Застосування цих добавок дозволяє без зниження міцності зменшити тривалість ізотермічного прогріву в два рази (з 8 до 4 год).
У процесі теплової обробки в бетоні відбуваються складні фізичні процеси, що викликають появу деформацій сприяють утворенню тріщин.
При підйомі температури і на початку ізотермічного прогріву температура і тиск пара в виробі нижчі, ніж навколишнього середовища і зовнішні більш нагріті його шари збільшуються в обсязі в більшій мірі, ніж внутрішні. Крім того, різниця температури в різних шарах бетону створює в них різниця парціальних тисків. Це викликає переміщення вологи з зовнішніх шарів у внутрішні і розширення знаходиться в порах пароповітряної суміші, що створює усередині бетону надлишковий тиск. У цей період, особливо при швидкому підйомі температури, в бетоні виникають значні напруження і утворюються тріщини і порушується контакт між цементним каменем і заповнювачем.
При ізотермічному прогріванні затверділий бетон збільшується в об'ємі і внаслідок різниці коефіцієнтів лінійного температурного розширення його компонентів утворюються мікродефекти.
При зниженні температури в камері температура бетону і тиск в ньому пара будуть вище, ніж у навколишньому середовищі і починається рух в ньому нагрітого повітря до відкритої поверхні виробу, а також міграція з глибинних шарів бетону вологи з інтенсивним її випаровуванням.
Таким чином, в бетоні в період обробки їх на-блюдаются залишкові об'ємні деформації, що виникають в початковій стадії твердіння при нагріванні виробів з ще недостатньо міцного бетону, освіту спрямованої капілярної пористості, в зв'язку з пере-розміщенням вологи і пароповітряної суміші, зниженої щільності цемент- ного каменю в бетоні, викликаної недостатнім ступенем гідратації і про-разованием більших кристаллогидратов, що призводять до появи численних дефектів, що викликають зниження експлуатаційних х а-рактерістік виробів і конструкцій.
Отже, в процесі теплової обробки поряд з низкою позитивних чинників, що прискорюють твердіння, мають місце фактори, негативно впли-яющие на формування структури бетону у виробі. Завдання технологів зводиться до того, щоб посилити вплив позитивних факторів і осла-бити або виключити вплив негативних. Це здійснюється шляхом оптимізації режимів теплової обробки.
Теплова обробка з використанням пара низького тиску. Процес теплової обробки складається з чотирьох періодів: чи витримає-ки виробів, підйому температури, витримці при максимальній температу-ри і охолодженні до температури навколишнього середовища.
Правильність призначення попередньої витримки визначається досягненням бетону початкової міцності, що дозволяє перешкодити внутрішнім напруженням, що виникають при нагріванні, без порушення формується структури. Оптимальна тривалість попереднього витримування для різних бетонів різна. Вона залежить від активності цементу, В / Ц, рухливості бетону і температури навколишнього середовища. Чим вище марка цементу і бетону, а також, чим вище температура навколишнього середовища і жорсткість бетонної суміші, тим коротше може бути час предвари-ного витримування.
Введення хімічних добавок (прискорювачів твердіння) призводить до скорочення, а поверхнево-активних добавок - до збільшення тривало-сті попереднього витримування.
Застосування попереднього витримування особливо доцільність-різному при пропарюванні розпалублених виробів, а також виробів з біль-шими відкритими поверхнями.
При тепловій обробці під вантажем, в закритих формах, в ма-лонапорних і індукційних камерах попереднє витримування НЕ-доцільно, а при застосуванні розігрітих бетонних сумішей - протидії показано.
Велике значення для якості бетону при тепловій обробці име- ет правильне призначення режиму прогріву. У загальному вигляді повний цикл тепловлажностной обра- лення бетонних і залізобетонних виробів складається з наступних періодів (рис. 8.1. А): попереднього ви- держіванія # 964; перед; нагріву вироби # 964; I. ізотермічного витримування # 964; II; охолодження # 964; III.
Попередня витримка при звичайній температурі навколишнього середовища рекомендується для бетонів з рухомих і малорухомих сумішей протягом 3-6 ч, з жорстких сумішей не менше 3 ч, а з особливо жорстких не менше 2 ч.
Температуру в пропарювальної камері слід піднімати плавно під через Бежанов виникнення значних температурних перепадів у виробі.
Мал. 8.1 - Графіки режимів теплової обробки бетонів:
а - варіанти режиму теплової обробки; б - прогреваемость виробів різної товщини; в - ступінчастий режим теплової обробки
При короткому попередньому дотриманні (до 1 години) температуру рекомендується піднімати з постійно зростаючою швидкістю, наприклад, в першу годину - 10-15 ° С, у другій - 15-20 ° С, в наступний 25-35 ° С і т. Д. незалежно від товщини виробу.
При технічному скруті виконання режимів з постійно на-розтане швидкістю підйому температури середовища камери рекомендується застосовувати режими зі ступінчастим підйомом температури, наприклад, за 1-1,5 год підйом температури до 30-40 ° С, витримування при цій температу-ри протягом 1 -2 ч. а потім інтенсивний підйом температури до максималь-но прийнятої на 1-1,5 ч. Якщо виріб завантажують в пропарювальну камеру з температурою 30-35 ° с, то витримування в ній без подачі пара протягом 1,5-2 ч рівноцінно першого ступеня підйому температури.
Оптимальна температура ізотермічного прогріву при вико-вання портландцементов 80-85 ° С. При використанні шлакопортландцементів температура прогріву може бути прийнята рівною 90-95 ° С.
Тривалість ізотермічного витримування при пропарюванні на-позначають в залежності від необхідної міцності бетону виробів (распалубочной, передавальної, відпускної) відразу після витримування бетону або з урахуванням приросту міцності при подальшому твердінні при позитивними-них температурах в цеху або на складі у віці до 1 доби.
Прискорення процесу твердіння здійснюють застосуванням швидкотверднучих цементів високих марок, механохимической активацією в'яжучих, застосуванням жорстких бетонних сумішей і добавок - прискорювачів твердіння.
Швидкість охолодження виробів в камері після відключення подачі па-ра не повинна перевищувати 30-40 ° С / год в залежності від масивності вироби. З метою зниження деструкції бетону, з вимогою по морозостійкості, швидкість зниження температури повинна бути не більше 15-20 ° С / год.
Згідно ГОСТ цементи по ефективності використання при пропарюванні поділяються на три групи (табл. 8.1).
Таблиця 8.1 - Види і групи цементів
Рекомендовані режими обробки їх в залежності від товщини бетону виробів для двох обертів теплових установок на добу з важкого бетону на портландцементах II групи після 12-годинного наступного витримування дані і табл. 8.2, для легких - в табл. 8.3.
Таблиця 8.1 - Режими теплової обробки виробів з важкого бетону при темпера-турі ізотермічної витримки 80-85 ° С
Клас (міцність) бетону
Таблиця 8.3 - Режими теплової обробки виробів з легких бетонів (відпускна міцність бетону 70-80% проектної)
Попередньо напружені конструкції, що виготовляються на стендах, рекомендується піддавати тепловій обробці за режимом, ч:
- підйом температури до 80 0С. 7
- ізотермічний витримування при 80 0С 6,5
На заводах ЗБВ широко застосовується теплова обробка бетонних та залізобетонних виробів в ямних пропарювальних камерах, в горизонталь-них і вертикальних камерах безперервної дії.
Ямні камери періодичної дії - повністю або частково заглиблені в ІОЛ або підлогові. Основними елементами є стінки, підлогу з каналізацією для стоку, кришки з гідравлічним затвором і систе-ма паропроводів з запірної і регулювальної арматурою для подачі пари в камеру.
Камери працюють за певним циклу, протягом якого виро-лія попередньо проходять всі три етапи теплової обробки - розігрів, ізотермічний прогрів і охолодження.
Пара поступає в камеру через закільцьованих перфоровану трубу, розташовану біля підлоги камери по її периметру. Піднімається пар змішується з повітрям і утворює паровоздушную суміш. При такому рас-пределеніе пара важко створити рівномірний розподіл температури по всьому об'єму. Створиться перепад температури по висоті (до 30-40 ° С). Найбільш висока температура вгорі, а найнижча - внизу. Вироби, що знаходяться в нижній частині камери, виявляються в менш сприятливих умовах.
Більш досконалий тип ямної камери, представлений на рис. 8.2, від-Ліча тим, що в ній є внизу, так звана, образна труба для відводу пароповітряної суміші або надлишку насиченого пара, а також тим, що крім нижньої розводки пара в ній передбачена верхня розлучення-ка. Це дозволяє виробляти пропарювання не тільки в пароповітряної середовищі, а й у середовищі насиченої пари без домішки повітря. Для цієї мети на на-чільного стадії теплової обробки подають пар через нижню розводку. Після досягнення температури 80-90 ° С нижня розводка відключається і пар подається через верхню розводку. Поступово камера заповнюється тільки парою, що дозволяє досягти температури в камері близькою до 100 ° С. З-здаются сприятливі умови тверднення у всьому об'ємі камери.
Мал. 8.2 - пропарювальна камера системи. 1 - паропровід; 2, 3 - нижні і верхні перфоровані труби; 4 - зворотна труба; 5 - гідравлічний клапан; 6 - контрольний конденсатор; 7 - водопровідна труба; 8 - трубопровід підігрітої води, 9 - ущільнення
Теплові установки безперервної дії являють собою багатоярусні тунельні, щілинні і вертикальні камери.
Тунельні камери безперервної дії це горизонтальні тун-нелі, в яких по рейковому шляху пересуваються вагонетки з виробами. Завантажують і вивантажують вагонетки з виробами з допомогою портальних підйомників і сніжателей. Тунельні камери виконують, як правило, багатоярусними (від 1 до 6 ярусів). Теплоносієм може бути пар, а так-же паровоздушная суміш, що підігрівається в калорифери. Камери мають три зони: підйому температури, ізотермічного прогріву і охолодження. Зони відділені одна від одної тепловими повітряними завісами. Недоліком цих камер є велика втрата тепла через торці.
Щілинні камери мають дещо іншу форму, їх висота в 4-6 разів менше ширини. Вони обладнані системами пароснабжения і електрона-гревателямі. Ефективність цих камер обумовлена меншими втратами тепла (рис. 8.3).
Мал. 8.3 - Горизонтальна щілинна камера: 1 - вагонетка з виробом в формі; 2 - сніжатель; 3 - механічна штора; 4 - рейки; 5 - герметизирующая штора; 6 - підйомник
У вертикальних камерах (рис. 8.4) вироби в формах-вагонетках спе-соціальними підйомниками спочатку переміщують вгору через різні зо-ни теплової обробки, потім опускають вниз і вивантажують з камери. У вертикальних камерах використовують природне розшарування пара і повітря по висоті. У верхній частині, де знаходиться пар, температура підтримує-ся близько 100 ° С. Нижня частина камери, заповнена пароповітряної середовищем, температура якої при опусканні виробів знижується до 30-35 0С. Верти-Кальне камери, в порівнянні з багатоярусними тунельними, мають в 5-6 разів менший обсяг, більш низьку витрату пари (100-120 кг / м3).
Мал. 8.4 - Вертикальна камера термообробки бетону: 1 - будівельна коробка; 2 - рама механізму підйому; 3 - напрямні; 4 - відкидні кронштейни; 5 - привід конвеєра; 6 - верхня передавальна візок; 7 - привід пересування передавального візка
Контактний обігрів. Сутність теплової обробки шляхом контактного обігріву укладаючи-ється в тому, що виріб, нагріваючись в результаті безпосереднього контак-та з гарячої середовищем, в той же час відокремлено від неї щільно - і влагонепроні-цаемимі перегородками, що виключають можливість внагообмена між середовищем і бетонним виробом.
Застосовуються два способи контактного обігріву. У першому випадку теплоносій (гострий пар, перегріта вода під тиском, масло, гарячі гази) циркулює в замкнутому просторі, яке примикає з одного або з двох сторін до виробу. Наприклад, в касетних формах, пакетувальник (рис. 8.5, 8.6).
Другий спосіб полягає в тому, що виріб, закрите з усіх сто-рон, поміщають в середу, в якій циркулює теплоносій, наприклад, теплова обробка в вібропрокатних стані.
Мал. 8.5 - Схема касетної форми: 1 - груба для подачі пари; 2 - перфорована труба; 3 - поперечний борт; 4 - труба для відведення конденсату; 5 - упор; 6 - піддон; 7 - замок; 8 - поздовжній борт; 9 - розділова перегородка; 10 - вушко для зняття борта з піддона; 11 - вушко шарнірного пристрою кріплення борту
Касетні установки (рис. 8.5) являють собою блок вертикаль-них форм, розділених тепловими відсіками. У верхній і нижній частинах теплових відсіків размешается розводка перфорованих труб, через кото-які гострий пар або інший теплоносій рівномірно розподіляється по всій площі заформованими виробів. У зв'язку з незначною площа-дью відкритої поверхні бетону в касетах допускається велика ско-кість підйому температури (60-70 ° С / год). Вироби можна прогрівати без попередньої витримки. Однак для виробів характерна неравнопрочность в різних місцях по висоті. Его викликано різної інтенсивно-стю прогріву. Зони, близькі до місця введення пара, нагріваються швидше.
Мал. 8.6 - Конструкція пакетувальник: 1 - напрямна стійка; 2 - гидродомкрат, 3 - траверса, 4 - тумба, 5 - упор-відсікач
Рекомендовані режими теплової обробки виробів в касетних установках представлені в табл. 8.4.
Режим теплової обробки виробів з важких бетонів »касетах (при розташуванні парових відсіків через два робочих відсіку), в пакетах
Товщина бетону у виробах, мм