Строительные материалы и изделия

Твердение железобетонных изделий

• Твердение отформованных изделий — заключительная опера­ция технологии изготовления железобетона, в процессе которой изделия приобретают требуемую прочность. Отпускная прочность может быть равна классу бетона или меньше его. Так, прочность бетона изделий при отгрузке потребителю должна быть не менее 70% проектной (28-суточной) прочности для изделий из бетона на портландцементе или его разновидностях и 100%—для изде­лий из силикатного (известково-песчаного) или ячеистого бетона. Однако для железнодорожных шпал отпускная прочность долж­на превышать 70% и для пролетных строений мостов — 80% от класса. Допускаемое снижение отпускной прочности изделий определяется исключительно экономическими соображениями, так как в этом случае сокращается продолжительность произ­водственного цикла и соответственно ускоряется оборачивае­мость оборотных средств. При этом имеется в виду, что недо­стающую до проектной прочность изделия наберут в процессе их транспортирования и монтажа и к моменту загружения экс­плуатационной нагрузкой прочность их будет не ниже проектной.

В зависимости от температуры среды различают следующие три принципиально отличающихся режима твердения изделий: нормальный при температуре 15...20°С; тепловлажностная обра­ботка при температуре до 100°С и нормальном давлении; авто­клавная обработка — пропаривание при повышенном давлении (0,8... 1,5 МПа) и температуре 174...200°С. Независимо от режима твердения относительная влажность среды должна быть близкой к 100%. Иначе будет происходить высушивание изделий, что приведет к замедлению или прекращению роста их прочности, так как твердение бетона есть в первую очередь гидратация це­мента, т. е. взаимодействие цемента с водой.

Нормальные условия твердения достигаются в естественных условиях без затрат тепла. Это важнейшее технико-экономиче­ское преимущество указанного способа твердения, отличающе­гося простотой в организации и минимальными капитальными затратами. В то же время экономически оправдан он может быть только в исключительных случаях. В естественных условиях изде­лия достигают отпускной 70%-ной прочности в течение 7... 10 сут, тогда как при искусственном твердении — пропаривании или ав­токлавной обработке — эта прочность достигается за 10...16 ч. Соответственно при этом снижается потребность в производст­венных площадях, объеме парка форм, сокращается продолжи­тельность оборачиваемости средств. Это и является причиной применения на ■ большинстве заводов искусственного твердения, в то же время стремление отказаться от последнего является актуальной проблемой современной технологии бетона. Уже име­ются бетоны, которые в течение одних суток при нормальных условиях твердения приобретают до 40...50% проектной прочно­сти. Это достигается применением высокопрочных быстротвер - деющих цементов, жестких бетонных смесей, интенсивного уплот­нения вибрацией с дополнительным пригрузом, применением добавок — суперпластификаторов, ускорителей твердения, вибро­активизации бетонной смеси перед формованием, применением горячих бетонных смесей. Дальнейшее развитие работ в этом на­правлении позволит, по-видимому, в ближайшие годы отказаться в ряде случаев от искусственного твердения.

Тепловлажностная обработка при нормальном давлении мо­жет осуществляться несколькими способами: пропариванием в камерах; электроподогревом; контактным обогревом; обогревом лучистой энергией; тепловой обработкой изделий в газовоздуш­ной среде; горячим формованием. Среди приведенного разно­образия технико-экономическое преимущество пока остается за пропариванием в камерах периодического и непрерывного дей­ствия, а также в среде продуктов сгорания природного газа.

В камеры непрерывного действия загружают свежесформо - ванные изделия на вагонетках, а с противоположного конца тун­неля камеры непрерывно выходят вагонетки с отвердевшими из­делиями. В процессе твердения изделия проходят зоны подогре­ва, изотермического прогрева (с постоянной максимальной тем­пературой пропаривания) и охлаждения. В принципе камеры непрерывного действия, как и вообще всякое непрерывно дейст­вующее оборудование, обеспечивают наиболее высокий съем про­дукции с единицы объема камеры. Однако необходимость приме­нения вагонеток и механизмов для перемещения изделий, а также ряд конструктивных сложностей туннельных камер в теплотех­ническом отношении не позволяет широко применять этот вид пропарочных камер. Используют их только при конвейерном способе производства.

Перспективными являются вертикальные камеры непрерыв­ного действия.

Среди камер периодического действия основное применение находят камеры ямного типа (рис. 11.13), имеющие глубину 2 м и на 0,5...0,7 м выступающие над уровнем пола цеха. Размер
камеры в плане соот - ветствует размеру Из~ делий или кратен им Наиболее целесообраз! ным является размер камеры, соответствую­щий размеру одного изделия в плане. В этом случае загрузочная ем­кость камеры и непро­изводительный простой камеры под загрузкой будут минимальными. Однако при этом воз­растает потребность в количестве камер. Тех - нико-экономический ана­лиз показал, что наи­более целесообразным оказывается размер ка­меры в плане, соответствующий размеру двух изделий. Стенки камеры выкладываются из кирпича или делаются бетонными. Сверху камера закрывается массивной крышкой с теплоизоля­ционным слоем, предупреждающим потери тепла. Для предуп­реждения выбивания пара в стенках камеры сверху ее предус­матривается канавка, засыпаемая песком или заливаемая водой. В эту канавку входят соответствующие выступы на крышке, камеры. Таким образом создается затвор, препятствующий вы­биванию пара из камеры.

Изделия загружаются в камеру краном в несколько рядов по высоте. Если изделия в формах, то каждый верхний ряд изделий устанавливают на стенки нижележащей формы (через деревянные прокладки). При формовании же изделий с частич­ной немедленной распалубкой поддон с изделием устанавливают на специальные откидывающиеся выступы, предусмотренные bs стенках камеры.

Режим пропаривания в камерах характеризуется продолжи тельностью подъема температуры, выдержкой при максимально" температуре, продолжительностью охлаждения, а также наиболь­шей температурой в период изотермического прогрева. Применя­ют самые разнообразные режимы твердения в зависимости о свойств цемента и его вида, свойств бетонной смеси (жесткая или подвижная), вида бетона (тяжелый или легкий), размеров изделий (тонкие или массивные).

В качестве усредненного можно привести следующий режим: подъем температуры со скоростью 25...35°С/ч, снижение темпе­ратуры— 30...40 °С/ч, изотермическая выдержка 6...8 ч и мак­симальная температура 80...90°С. Таким образом, общая продол­жительность пропаривания для изделий на обыкновенном порт­
лаНдцементе в среднем составляет 12... 15 ч. Твердение изделий — наиболее продолжительная операция, в десятки раз превышаю­щая все другие. Это требует изыскания путей снижения продол­жительности пропаривания, для чего необходимо знать опреде­ляющие факторы.

В первую очередь на режим твердения оказывает влияние вид цемента. Применение быстротвердеющих цементов (алито - вых и алитоалюминатных портландцементов) позволяет до 2 раз сократить продолжительность изотермической выдержки. Кроме того, оптимальная температура прогрева изделий на этих цемен­тах 70...80°С существенно сокращает время, потребное на нагрев и охлаждение изделий. В совокупности общая продолжитель­ность тепловлажностной обработки изделий на алитовых и алитоалюминатных, быстротвердеющих портландцементах сни­жается до 6...8 ч. За этот период получают изделия с прочностью бетона, равной 70...80% от проектной.

Медленнотвердеющие цементы (пуццолановые и шлакопорт - ландцементы) требуют более продолжительной изотермической выдержки (до 10... 14 ч) и более высокой температуры изотерми­ческого прогрева (до 95...100°С). Таким образом, общая продол­жительность пропаривания бетонных изделий, приготовленных на пуццолановых или шлакопортландцементах, составляет 16...20 ч.

Применение жестких бетонных смесей, имеющих низкое начальное водосодержание, позволяет на 15...20% уменьшить продолжительность пропаривания. Если учесть, что дополнитель­ные затраты энергии и труда на формование жестких смесей не превышают 10... 15% и компенсируются снижением расхода цемента при этом, то экономическая целесообразность примене­ния жестких смесей становится очевидной и в данном случае.

Изделия из легких бетонов, как, например, медленно прогре­вающиеся в силу их повышенных теплоизоляционных качеств, требуют и более продолжительного режима тепловлажностной обработки.

Способ формования предварительно подогретой до 75...85°С бетонной смеси получил название «горячего формования», при котором изделия поступают в камеру в подогретом виде и не требуют, таким образом, времени на их подогрев до макси­мальной температуры пропаривания. Этот способ предусматри­вает отказ от пропаривания. Свежесформованные горячие изделия укрывают (способ термоса) и оставляют на 4...6 ч, в течение которых бетон набирает необходимую прочность. Подо­грев бетонной смеси производят электрическим током в течение 8...12 мин.

Электропрогрев изделий по своим техническим свойствам и санитарно-гигиеническим условиям производства имеет несравни­мое преимущество перед всеми другими способами. Тормозят его развитие недостаток и все еще высокая стоимость электро­энергии. Расход электроэнергии при электротермической обра­ботке бетона в среднем составляет 80...100 кВт-ч на 1 м3 изделИ" Электропрогрев изделий достигается путем прохождения пер".' менного тока через бетон. Последний, обладая электрическим Сопротивлением большим, чем подводящие К нему ТОК электроды разогревается в результате преобразования электрической энер! гии в тепловую.

Количество тепла (кДж), выделяющегося в бетоне при про­хождении через него электрического тока, в соответствии с законом Джоуля — Ленца прямо пропорционально затраченной электроэнергии в единицу времени (времени прохождения тока) и тепловому эквиваленту работы:

Q = 377[2Rt,

Где I — сила тока, A; R—сопротивление бетона, Ом; t — время, ч.

Так как произведение IR равно напряжению U, а произведе­ние Ut характеризует электрическую мощность Р (Вт), то количество тепла (кДж), выделяемого при прохождении тока через бетон,

Q = 3,8 Pt,

Т. е. 1 Вт* ч электроэнергии выделяет 3,8 кДж тепла.

Электропрогреву в открытых формах подвергают изделия массивные, так как тонкостенные изделия при этом способе могут пересыхать, поэтому их целесообразно прогревать электрическим током в кассетах. Напряжение тока в начале электропрогрева принимают равным 65...90 В, а в конце — до 150...220 В. По мере отвердения электропроводность бетона понижается и для про­хождения через него электрического тока требуется большое напряжение.

Контактный обогрев изделий достигается путем непосред­ственного их контакта с нагревательными приборами, например обогреваемыми стенками формы, основанием стенда. При этом изделие плотно укрывают, чтобы предупредить потери испаря­ющейся из него влаги в окружающую среду. Необходимая влажность вокруг изделия достигается за счет избыточной воды, т. е. сверх потребной на твердение цемента, которая вводится для получения удобоукладываемой смеси.

В качестве теплоносителя применяют острый пар, горячую воду, нагретое масло. Наиболее эффективно использование контактного обогрева тонкостенных изделий при достаточной их герметизации. Это наблюдается, например, в кассетах, в которых изделие заключено в узких, но глубоких отсеках. В этом случае возможен очень быстрый подъем температуры до максимальной (за 15...30 мин) без нарушения структуры бетона. Кроме того, образуется насыщенная паровая среда с несколько большим, чем атмосферное, давление пара, что благоприятно сказывается на процессах твердения бетона.

Температурная обработка в термобассейнах применяется в

Том случае, когда требуется получить изделие высокой плотности й водонепроницаемости (трубы, кровельные материалы). Тверде­ние в горячей воде — наиболее благоприятный в этом отношении оеЯ<им. Предварительно отвердевшие изделия помещают в бас­сейн с горячей водой и выдерживают в нем до приобретения необходимой прочности. Этот способ имеет хорошие технико - экономические показатели — низкий расход тепла обеспечивает наиболее благоприятные условия твердеющему бетону, но необ­ходимость последующей сушки изделий является причиной прак­тического отказа от обработки изделий в термобассейнах.

Автоклавная обработка. Скорость большинства химических реакций, в том числе и взаимодействие цемента с водой, обеспе­чивающая твердение бетона, возрастает с повышением темпера­туры, и тем она больше, чем выше температура. Кроме того, для твердения бетона необходима влажная среда. Сочетание этих двух факторов успешно достигается при обработке изделий паром высокого давления. С повышением давления соответствен­но возрастает температура насыщенного пара; при 100%-ной относительной влажности среды температуру выше 100°С полу­чить нельзя. Сверх этой температуры относительная влажность среды будет меньше 100%, и помещенные в нее бетонные изде­лия начнут высыхать.

Наиболее распространенный режим автоклавной обработки: давление пара 0,8...1,5 МПа, температура насыщенного пара 170...200°С. При таком режиме получают изделия с проектной прочностью бетона в течение 8... 10 ч, что дает большой технико - экономический эффект.

Важным достоинством автоклавной обработки бетона являет­ся следующее: при высокотемпературных условиях песок, будучи инертным при нормальной температуре и пропаривании, стано­вится активным, энергично взаимодействует с известью и обеспе­чивает получение бетона прочностью 20 МПа и более. Это поз­воляет широко использовать дешевые бесцементные известково - песчаные бетоны для изготовления способом автоклавной обра­ботки прочных, водостойких и долговечных изделий.

При использовании портландцементов обычно применяют медленно твердеющие цементы. Их преимущество в данном случае не только в несколько пониженной стоимости, но и в большом приросте прочности, получаемом при автоклавной обработке по сравнению с другими видами портландцементов. Кроме того, в автоклавных портландцементных бетонах часть Цемента (до 30...40%) может быть успешно заменена молотым Песком. При этом прочность бетона не только не снижается, но Даже наблюдается улучшение физико-механических свойств бето­на, что имеет большую технико-экономическую значимость.

Оборудование, применяемое для этой цели, не отличается от Рассмотренного в гл. 8. Основным агрегатом при автоклавной °бработке является автоклав. В технологии сборного железобе­тона автоклавы имеют ограниченное применение: существующи портландцемента обеспечивают получение изделий проектной прочности за то же время, что и в пропарочных камерах, име ющих несравнимо простое устройство и не требующих Котельной высокого давления.

Широко применяются автоклавы при производстве изделий из ячеистых бетонов.