Тепловлажностная обработка. Теоретические основы

Бетоном называют композиционныйматериал,состоящий из цементного камня, заполнителя и контактного слоя между ними.

Скорость нарастания структурной прочности цементного камня, как и скорость любой химической реакции, может быть резко увеличена с повышением температуры среды при тепловой обработке. Чтобы сохранить при этом влагу, которая необходима для процесса гидратации зерен цемента, для тепловой обработки используют пар. Тепловую обработку бетона с условием сохранения влаги в материале называют тепловлажностной обработкой (ТВО). Для представления о принципах такой обработки бетона охарактеризуем материал и условия ее ведения в процессе изготовления сборного бетона и железобетона.

Материал, загружаемый в установку для тепловлажностной обработки, – свежесформованный или предварительно выдержанный бетон, – состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз.

Твердая фаза представлена заполнителем (щебень, гравий, песок), имеющим капиллярно-пористую структуру, и формирующейся структурой цементного камня, связывающий заполнитель в конгломерат. Структура цементного камня формируется также в виде пористого тела с различными хаотично расположенными капиллярами диаметром от 2∙10^-7 до 10^{-2 см; могут встречаться поры и значительно большего диаметра. В будущем цементном камне на протяжении всего периода твердения происходят процессы гидратации зерен цемента, поэтому твердая фаза – система не стабильная.}

Жидкая фаза представлена химически связанной, физико-химически и физико-механи-чески связанной влагой. Влага заполняет систему капилляров и участвует в процессе гидратации. Поэтому количество влаги, связанной с материалом различным способом, все время изменяется. Количество воды зависит от выбираемого В/Ц и для тяжелого бетона составляет около 170…200 л/м³ . Вода затворения уже в процессе формования начинает связываться с цементом. В первые один–два часа, считая от начала затворения бетона, количество химически связанной влаги очень невелико, так как в реакции гидратации вступает не более 1% цемента, содержащегося в бетоне. Остальная влага приходится на физико-химическую и физико-механическую. Постепенно в химические реакции вовлекается больше цемента, и идет перераспределение влаги по формам связи. Количество химически и физико-химически связанной влаги возрастает, доля физико-механической уменьшается.

Газообразная фаза состоит из воздуха, вовлеченного при формовании, воздуха, выделившегося при деаэрации воды затворения за счет вибрации при формовании, и газа, выделяющегося из составляющих бетона в результате химических реакций. Количество газообразной фазы, по данным НИИЖБ, оценивается в 30…40 л/м³.

Нарастание структурной прочности бетона в естественных условиях и при тепловлажностной обработке делят на два периода. В первом из них, в течение примерно 2…4 часов с момента формования, структурная прочность нарастает медленно. Второй период характеризуется резким увеличением скорости роста структурной прочности, которая может быть увеличена еще более за счет тепловлажностной обработки. Поэтому для улучшения качества бетона рекомендуется начинать тепловлажностную обработку именно во втором периоде. С учетом этого ТВО в большинстве случаев ведут после предварительной выдержки свежесформованного бетона. Предварительное выдерживание изделий до пропаривания способствует образованию начальной структуры бетона в условиях отсутствия температурных деформаций и миграции влаги, что положительно отражается на прочности и стойкости готовых изделий.

Оптимальное время предварительного выдерживания колеблется от 2 до 10 часов и соответствует началу схватывания бетона, при котором он приобретает прочность около 0,3…0,5 МПа. После этого бетон в закрытой или открытой форме, а иногда после достаточной для предварительного твердения длительной выдержки, со снятой бортоснасткой на поддоне загружают в установку, куда подаётся пар. Пар, как более нагретое тело, отдаёт теплоту парообразования менее нагретым телам – материалу и установке, нагревает их, а сам в виде конденсата удаляется из установки. За счёт нагрева скорость реакций гидратации цемента резко возрастает и ускоряется структурообразование бетона.

Постепенно материал в установке нагревается до температуры паровоздушной смеси (кроме пара в установке находится воздух). Время, которое проходит с начала нагрева до достижения бетоном температуры паровоздушной смеси, называют первым периодом тепловлажностной обработки (рис. 10.1).

t_cº, t_c', t_c" – температура среды в камере соответственно после загрузки, максимальная и при выгрузке; t_mº, t_m', t_m" – то же, материала; I, II, III – соответственно периоды подогрева, выдержки и охлаждения

Рисунок 10.1 – Схематичные кривые изменения температуры среды и материала

в установке для тепловлажностной обработки бетона

Во второй период подача пара в установку продолжается. В материале по его сечению постепенно выравнивается поле температур, ибо температура в установке в этот период не изменяется. Это так называемый период изотермической выдержки. Длительность его определяется скоростью выравнивания температурного поля в материале и кинетикой химических реакций.

Далее наступает третий период – охлаждение. В это время пар в установку не подаётся. Для более быстрого охлаждения установку вентилируют воздухом. В этом случае с поверхностей материалов, формы, установки быстро испаряется влага, бетон также начинает терять её.

В процессе тепловлажностной обработки происходит ряд физических, физико-химичес-ких и химических процессов, которые и формируют структурную прочность бетона. Механизм формирования структурной прочности бетона разбирается детально в курсе “Технология бетонных и железобетонных изделий”, поэтому мы остановимся на нём очень кратко, чтобы увязать с ним одновременно идущие и влияющие на него тепло- и массообменные процессы.

В начальный период цемент реагирует с водой, за счёт реакции гидратации образуется пересыщенный раствор новообразований и по теории Байкова А.А. новообразования, выделяясь в виде геля из пересыщенного раствора, формируют первичную структуру цементного камня. Эта первичная структура имеет вид рыхлого каркаса, который по А.А. Байкову и
П.А. Ребиндеру, постоянно упрочняется.

Полученный во время гидратации цементный гель увеличивается в размерах одновременно внутрь и наружу цементных зёрен, занимает почти в два раза больший объём, чем зёрна цемента, из которых он образуется. Поэтому гель вынужден занимать пространство, где ранее находились вода и воздух, уменьшать пористость и радиус пор. Всё это заставляет свободную влагу и воздух перемещаться по бетону, а сам бетон обмениваться влагой и воздухом с окружающей средой.

В процессе нагрева бетона пар, отдавая свою теплоту, конденсируется на поверхности бетона. В этом случае изменяется как температура, так и влагосодержание поверхности бетона и среды. Эти процессы являются внешними по отношению к материалу, и поэтому их называют внешним тепло- и массообменом. Передвижение влаги и воздуха, а также изменение температурного поля внутри материала называют внутренним тепло- и массообменом.

Передвижение влаги и воздуха (массы) по материалу, а также изменение температурного поля воздействует на формирующуюся структуру материала. Если образующаяся структура не в состоянии противостоять силе, с которой передвигается масса (влага и воздух), слагающаяся с силой возникающих температурных напряжений, то эта структура в большей или меньшей степени может разрушаться. Поскольку, с увеличением скорости нагрева, силы передвижения массы нарастают, то нагрев изделий следует вести с какой-то вполне определённой, безопасной для нарушения структуры скоростью.

Наибольшая скорость формирования структуры бетона наблюдается во второй период тепловлажностной обработки, во время выдержки при постоянной температуре. Разности температуры и влагосодержания по сечению материала в этот период начинают уменьшаться и постепенно выравниваются, что значительно улучшает условия структурообразования. Кроме того, в это время идёт дальнейшая гидратация цемента. Влага из образовавшегося на поверхности геля отсасывается внутренними слоями цементного зерна. Вследствие снижения влагосодержания геля, начинается кристаллизация новообразований, что и обусловливает нарастание процессов структурообразования и упрочнения всей системы.

В третий период – охлаждение, из материала интенсивно удаляется влага, процессы кристаллизации новообразований и структурообразование резко усиливаются, материал цементируется. Однако в это время опять начинают возрастать перепады температур и влагосодержания между поверхностью и центральными слоями материала, возрастает массоперенос внутри материала. Эти процессы опять начинают воздействовать на структуру материала и могут снова привести к её частичному разрушению.

Все сказанное заставляет глубже рассмотреть процессы тепло- и массообмена, увязать их с возникновением напряженного состояния и формированием структуры бетона.