Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ВИБРООБРАБОТКА РАЗОГРЕТОЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ

Повышение прочности цементного камня как при ес­тественном твердении, так и при пропаривании обуслов­ливается двумя противоположными процессами: упроч­нением структуры вследствие «срастания» кристалло­гидратов и локальными разрушениями под действием растягивающих напряжений, вызываемых давлением, возникающим при диффузии ионного раствора в направ­лении «экранизирующей» оболочки. Расклинивающее давление возрастает с увеличением концентрации ионов в жидкой фазе, плотности кристаллогидратных образо­ваний и количества контактов между ними, препятству­ющих дальнейшему упрочнению цементного камня. В связи с этим по мере увеличения степени пересыще­ния прочность будет возрастать из-за большего числа контактов срастания и уменьшаться с ростом внутренне­го напряжения. Такой волнообразный характер измене­ния прочности цементного камня свидетельствует о существовании при прочих равных условиях такого оп­тимального пересыщения, которому должна соответство­вать наибольшая прочность материала.

По кинетике скорости тепловыделения KQ = cp(t) мо­жно судить о наличии продолжительного индукционного периода, равного для сильно концентрированного це­ментного геля приблизительно 5 ч (с момента затворе - нйя), что свидетельствует о большей химической актив­ности цемента при (рис. 9.9). Это явление можно объяснить меньшей толщиной сольватных оболочек вок­руг частиц цемента, нежели при Х>1, в связи с чем

Они быстрее насыщаются продуктами гидратации, ин­тенсифицируется ионообмен, способствующий образова­нию кристаллогидратных комплексов. Известно, что удельное тепловыделение воды при ее взаимодействии с цементом для относительно слабо концентрированных цементных гелей меньше, чем при малом их водосодер - жании.

Для ускорения твердения бетона эффективен пред­варительный разогрев смеси, создающий благоприятные условия для проявления физико-химических превраще­ний и исключающий деструктивные процессы, возника­ющие из-за неодинакового температурного расширения составляющих бетонной смеси.

При нагреве бетонной смеси до определенной темпе­ратуры снижается вязкость жидкой фазы, увеличивает­ся концентрация активных ионов минералов цемента, что способствует преодолению энергетического барьера, обусловленного наличием двойного электрического слоя,

Рис. 9.9. Кинетика

Тепловыделения твердеющего це­ментного геля

, 2, 3 и 4 — при X, равных 0,876; 1; 1,3; 1,6 соответственно

Рис. 9.10. Влияние температуры нагре­ва при виброуплот­нении с сов= 150 Гц цементного геля и

Бетонной смеси А — прочность це­ментного камня: 1, 2, 3 — при Х=0,876; 4, 5, 5—при Х=- 7, 8, 9 При Z=L,6. Каждые три кривые соответ­ствуют температурам нагрева 333, 353, 368 К. б — прочность бетона в возрасте 28 сут: /, 2, 3 —

(В/Ц)™4 , равные

0,35 (*=0,876); 0,39 (*=1); 0,58 (Х=1,6) соответственно

И возрастанию кинетической энергии взаимодействия частиц. Все это вместе взятое способствует сокращению продолжительности индукционного периода и формиро­ванию более упорядоченной кристаллогидратной струк­туры цементного камня. Таким образом, ускоряется процесс структурообразования, а состав продуктов гид­ратации в интервале температур до 373 К остается прак­тически таким же, как и при нормальных условиях твер­дения бетона.

Несмотря на принципиальную эффективность приме­нения горячей бетонной смеси, не всегда удается реали­зовать ее скрытые энергетические свойства, в связи с чем прочность образцов бетона из горячей смеси в ряде случаев оказывается ниже, чем холодноотформованных образцов. Происходит это вследствие недоуплотнения горячей бетонной смеси при вибрировании с частотой 50 Гц, обычно применяемой для формования изделий.

С учетом изменения реологических параметров горя­чей бетонной смеси, необходима такая частота вынуж­денных колебаний, при которой могут проявляться об­ратимые тиксотропные превращения структурно-упроч­няющегося цементного геля.

Влияние параметров вибрирования на прочность горячеотформованных образцов цементного камня и бе­тона на портландцементе М-400 при /СН.г=0,307 приве­дено в работе [18]. Смеси разогревали до требуемой температуры, затем укладывали в нагретые металличе­ские формы и уплотняли вибрированием с частотами 150 и 50 Гц в течение 2 мин. После пропаривания при двухчасовом изотермическом прогреве образцы охлаж­дали в течение 10—12 ч и до испытания на прочность хранили в камере нормального твердения. Результаты экспериментов, приведенные на рис. 9.10, а, показывают, что при Х=0,876 и 1 (кривые 1—6) в 28-суточном воз­расте прочность цементного камня составляет 50— 65 МПа, а при Х= 1,6 (кривые 7—9) она не превышает 35 МПа и равна суточной прочности образцов при Х= =0,876 и 1. В этих случаях оптимальной температурой разогрева бетонной смеси является 358 К. Значительное превышение (почти в 2 раза) прочности цементного кам­ня при низких значеннях (В/Ц)г обусловливается при­менением разогрева до оптимальной температуры и уп­лотнения цементного геля высокочастотным вибрирова­нием,

Зависимости прочности бетона в 28-суточном возра­сте от температуры разогрева смеси и высокочастотного виброуплотнения приведены на рис. 9.10,6. На каждой кривой, соответствующей (В/Ц) 6=0,35; 0,39; 0,58, име­ются максимумы, отвечающие определенной температу­ре разогрева бетонной смеси. При температуре разогре­ва 353 К и последующем изотермическом выдерживании в пропарочной камере в течение 2 ч при Т—353 К об­разцы бетона, изготовленные из смеси с В/Ц=0,35 (со­ответствует Х=0,876), набирают проектную марку и да­же превышают ее. Полученные данные свидетельствуют об эффективности применения «жестких» разогретых бе­тонных смесей с допустимо низким водосодержанием и обязательным уплотнением высокочастотным вибриро­ванием. Пластичные смеси при аналогичной обработке определяют значительно меньшую прочность бетона во все сроки твердения.

Эти результаты опровергают сложившуюся точку зрения о большей приемлемости разогретых пластичных бетонных смесей, поскольку их формуемость из-за испа­рения влаги значительно ухудшается. Между тем в ин­тервале температур разогрева 353—368 К загустевание жесткой бетонной смеси слабо влияет на ее уплотняе - мость под действием вибрирования с частотами 150— 200 Гц.

Для сравнительной оценки показателей прочности образцов бетона горячего формования и традиционного пропаривания можно привести следующие данные. При (В/Ц)Б=0,39 (Х=1) в возрасте 28 сут естественного твердения прочность образцов при высокочастотном виб­роуплотнении составляет 42,2 МПа. Пропаривание об­разцов бетона при 353 К после предварительной вы­держки до окончания индукционного периода позволило получить в суточном возрасте прочность бетона поряд­ка 23,3 МПа. Горячее формование при Г=353 К и высо­кочастотное вибрирование способствовало получению в 28-суточном возрасте (при Х=0,876; 1; 1,3 и B/Lf=0,35; 0,39 и 0,47 соответственно) следующих значений прочно­сти бетона: 53, 52 и 31 МПа. Прочность горячеформо - ванных образцов бетона (при Х=) и уплотненных вы­сокочастотным вибрированием после двухчасовой изо­термической выдержки в суточном возрасте равна 28 МПа. В 28-суточном возрасте прочность горячефор - мованных и уплотненных высокочастотным вибрирова­нием образцов бетона примерно на 10 МПа превосходит прочность бетона естественного твердения. При горячем формовании изделий время активного теплового воздей­ствия после приготовления бетонной смеси составляет около 2,2 ч, а при пропаривании — 9 ч. Следовательно, полный режим интенсификации процесса твердения в первом случае 12,2 ч, а во втором—16 ч. Аналогичные результаты получают при горячем формовании и высо­кочастотном виброуплотнении бетонной смеси на пори­стых заполнителях.

Традиционные методы интенсификации процесса твердения бетона в принципе малоэффективны по ряду причин. При большом повышении температуры в процес­се пропаривания в момент наибольшего экзотермичес­кого эффекта в бетонной смеси усугубляется деструк­ция цементного камня. В условиях нестационарного теплового режима происходит миграция влаги внутрь бетона, нарушающая контакты между зарождающими­ся новообразованиями вследствие перехода местабиль - ных фаз в более устойчивое состояние при диффузии влаги внутрь бетона (конденсация пара и т. п.). Это от­рицательно влияет на формирующуюся кристаллогид - ратную структуру цементного камня.

При конвективном или индуктивном воздействии су­хого тепла практически трудно устранить высушивание бетона, что естественно должно способствовать приоста­новлению фазовых превращений и, как следствие этого, значительному недобору прочности бетона вплоть до полного разрушения внутриструктурных связей цемент­ного камня. Если еще принять во внимание, что интен­сификация твердения бетона занимает максимум времени в цикле заводского изготовления изделий, то представляется целесообразным исключить эту техноло­гическую операцию, заменив ее более прогрессивным решением.

В соответствии с приведенными теоретическими пред­ставлениями о кинетике гидратационного твердения це­ментного геля интенсификация этого процесса связана непосредственно с активизацией ионообмена как на ста­дии завершения индукционного периода, так и при фор­мировании и упрочнении кристаллогидратной структуры цементного камня.

Для указанной цели целесообразен метод, в котором объединены механическая и тепловая активизация ионо - обмена в цементном геле при последующем его уплот­нении в процессе формования бетонной смеси высоко­частотным вибрированием. Интенсификация процесса упрочнения бетона путем комплексного воздействия аку­стического поля с частотой 10—16 кГц и повышенной температуры названа термоакустической активизацией [118]. Приготовлять бетонную смесь по такому методу можно двумя способами: 1) предварительно обработать цементный гель в аэрогидродинамическом активизаторе, а затем перемешать его с заполнителями и перед ук­ладкой разогреть бетонную смесь до 333—368 К; 2) об­работать цементный гель указанным способом непосред­ственно в разогретой бетонной смеси при ее перемеши­вании в смесителе принудительного действия с вмонти­рованными в нем акустическими излучателями [1J.

При раздельном приготовлении бетонной смеси (по первому способу) цемент и воду подают в шнековый смеситель, затем цементный гель сливают в активизатор, прикрепленный снизу смесителя, и подвергают воздейст­вию акустических колебаний. Обработанный цементный гель отводится в бетоносмеситель, куда загружают отдо - зированные заполнители. Эффективность активизации ионообмена в акустическом поле при прочих равных ус­ловиях определяется акустическим давлением в рабочей среде, удельным объемом цементного геля на один излу­чатель и продолжительностью обработки.

Под влиянием колебательных импульсов, возникаю­щих в рабочей воздушной среде, происходит турбулент­ное перемешивание цемента с водой. Такой процесс со­провождается периодически возникающими при частоте 10—16 кГц кавитационными явлениями в связи с кон­центрацией воздушных пузырьков вблизи частиц твер - дрй фазы. Турбулентное перемешивание и кавитацион - ный эффект вызывают расчленение цементных агрега­тов, дезаэрацию поверхности частиц, более полное их оводнение и интенсифицируют ионообменные процессы. В нагретом состоянии эти явления в цементном геле про­текают активнее, в связи с чем возрастает количество взаимодействующих ионов, способных образовывать кристаллогидратные системы.

Конечная прочность цементного камця зависит от ко­личества воды затворения, которое назначают с учетом водопоглощения зерен заполнителя, поэтому ВЩ)Т Обычно превышает 1,65 /Сн. г. В процессе перемешивания

А — кривые изменения прочности бетона; 1 и 2 — прирост прочности неактиви­рованного «холодного» и «горячего» бетона; 3 — то же, на активированном цементном геле; б — график тепловой обработки неактивированного «холодно­го» (Cdeq) «горячего» (Af) и активированного «горячего» (Ab) бетона

Заполнитель отсасывает избыток воды, и в цементном геле восстанавливается связная структура.

При исследовании эффективности термоакустической активизации объектом служил бетон следующего соста­ва: портландцемент марки 500 с расходом 370 кг/м3, пе­сок кварцевый 770 кг/м3, щебень гранитный крупностью 5—10 мм—1100 кг/м3, (ВЩ)6=0,45 [118]. Изготовле­ны были три серии бетонных образцов-кубов с ребром 10 см: на активированном цементе с предварительным разогревом бетонной смеси, без активизации цемента как с предварительным разогревом, так и без него.

Экспериментальная зависимость прочности бетона в суточном возрасте от продолжительности изотермичес­кого прогрева показывает (рис. 9.11,а), что прирост прочности образцов бетона «холодного» и «горячего» без активизации при уплотнении вибрированием с час­тотой 50 Гц одинаков. Сочетание активизации с предва­рительным разогревом значительно повышает прочность бетона, и после пятичасового изотермического прогрева она в 1,7 раза превышает прочность «холодного» и «ра­зогретого» бетона на неактивированном цементе. Термо­акустическая активизация и двухчасовой изотермичес­кий прогрев бетона способствуют набору 50%, а пятича­совой прогрев — 70% заданной прочности бетона.

Прирост прочности бетона на разогретой и активи­рованной смеси сохраняется и в 28-суточном возрасте (табл. 9.1). При последующем, пятичасовом изотерми­ческом прогреве относительная прочность бетона-28 s

:i?28 (где R.28 — прочность образцов естественного твер­дения) превосходит в 1,5 раза прочность бетона естест­венного твердения (принята за единицу) и в 1,8 раза — месячную прочность обычного пропаренного бетона.

Термоакустическая активизация позволяет снизить расход цемента при заданной прочности бетона или же при требуемой прочности и неизменном расходе цемен­та сократить в 2 раза цикл тепловой обработки бетона без снижения его отпускной прочности. Если полный цикл для обычного пропаренного бетона составляет око­ло 12,5 ч (рис. 9.1,6, кривая Cdeg), то термоактивиза­ция уменьшает продолжительность тепловой обработки до 5 ч (отрезок ab) и устраняет необходимость в пред­варительной выдержке и постепенном подъеме темпера­туры. При горячем формовании без активизации цикл тепловой обработки длится 8,5 ч (отрезок af). Эти ре­зультаты иллюстрируют очевидное преимущество тер­моакустической технологии перед традиционными спосо­бами интенсификации процессов твердения бетона, включая и предварительный разогрев бетонной смеси.

В указанных экспериментах бетонная смесь была пластичной, а уплотняли ее при изготовлении образцов вибрированием с частотой 50 Гц. В случае применения жесткой бетонной смеси и высокочастотного виброуплот - неййй? ермбакусттескй обработанного цеМейтнбГб геЛй суммарный эффект должен существенно повыситься. Можно предполагать, что отношение R°S возрастет до 2,5 раз, а после термоакустической активизации и 2ч изотермического прогрева прочность бетона составит 70—80% его марки. Если определять отпускную проч­ность бетона по ее абсолютной величине, можно вовсе отказаться от изотермического прогрева и заменить про - паривание или другой вид теплового воздействия крат­ковременным дозреванием разогретого бетона в усло­виях термостатирования.

При термоакустической активизации можно исполь­зовать технические преимущества повторного высокоча­стотного вибрирования на стадии окончания индукци­онного периода формирования структуры цементного камня, поскольку при комплексной интенсификации ио­нообменных процессов продолжительность этого перио­да существенно сокращается.

Подтверждением эффективности одновременного ме­ханического и теплового воздействия на бетонную смесь может служить технология UNIBET [101].