Эффективность производства сборных железобетонных конструкций и изделий в значительной мере определяется длительностью общего технологического цикла, наиболее продолжительным процессом которого является набор необходимой прочности бетона. Это обуславливает практическое применение различных методов ускорения твердения бетона, задача которых сводится к формированию условий твердения, в которых материал будет приобретать необходимые свойства в экономически целесообразный период времени. Наиболее эффективным методом интенсификации твердения бетона выступает повышение температуры посредством тепловой обработки (далее – ТО) и тепловлажностной обработки (далее – ТВО), включение которых в технологический процесс позволяет снизить металлоёмкость производства, существенно увеличить оборачиваемость форм и сократить длительность общего производственного цикла. Однако для оптимизации энергетических затрат на методику ускоренного получения бетонных изделий требуется произвести выбор оптимального температурного режима в период их ТО, поскольку неверно выбранный режим способен негативно отразиться на структуре бетона. Это делает актуальным исследование особенностей влияния температурного режима при ТО и ТВО на процессы структурообразования бетона.
Для интенсификации твердения бетона применяются химические, технологические и тепловые методы. Химические способы подразумевают введение в бетонную смесь добавок, таких как хлористый кальций и хлористый натрий, технологические – использование мокрого и сухого вибродомола цемента, быстротвердеющих цементов, жёстких смесей и способов их уплотнения и виброактивацию бетонной смеси, тепловые – нагрев материала.
Наибольшее ускорение процесса твердения бетона достигается в случае применения комплексных способов, сочетающих химическое, физико-механическое и теплофизическое воздействия. При этом стоит учитывать, что ключевым определяющим кинетику твердения бетона фактором является температурный, тогда как остальные играют вспомогательную роль. ТО является наиболее эффективным методом интенсификации твердения бетона, использование которого позволяет сократить сроки достижения требуемой прочности в 8-10 раз, в то время как другие технологические приёмы обеспечивают ускорение только на 10-30 %. В то же время одновременно с ускорением набора прочности бетона ТО способна привести к развитию деструктивных явлений, уменьшающих ряд важнейших физико-механических свойств материала. На эффект ускоренного твердения бетонных изделий влияет группа преобладающих в материале при ТО явлений – конструктивных или деструктивных.
При ТВО на твердеющий бетон одновременно оказывают влияние температура и влажность, в зависимости от которых выделяют следующие виды ТО:
— пропаривание в камерах непрерывного и периодического действия при температуре 70-100℃ и нормальном давлении;
— автоклавная обработка насыщенным паром температурой 174-193℃ и давлением 0,8-1,3 Мпа;
— контактный обогрев посредством непосредственного соприкосновения бетонного изделия с источником теплоты, в качестве которого может выступать горячая вода, острый пар или нагретое масло, либо с обогревающим стенки формы нагревательным прибором;
— электропрогрев, заключающийся в пропускании через толщу бетона электрического тока либо обогрев материала инфракрасными лучами;
— горячее формование, при котором бетонная смесь до укладки в форму на протяжении 8-12 мин разогревается электрическим током до температуры 75-85℃, с последующей выдержкой в форме 4-6 часов.
ТВО бетона проводят до достижения им прочности не менее 70 % от марочной. Сущность обработки заключается в увеличении скорости гидратации при повышении температуры среды до 79,8-99,8℃. В результате не только ускоряется процесс твердения изделия, но и повышается его механическая прочность, которой становится достаточно для его транспортировки на строительную площадку и монтажа.
На практике для ТВО наиболее широко применяют установки непрерывного и периодического действия – автоклавы, туннельные и ямные камеры и камеры с обогревом в поле индукционного действия. В качестве теплоносителя чаще всего используются пар и паровая смесь, несколько реже применяется увлажнённый и подогретый воздух. Цикл ТВО бетонных и железобетонных изделий в камере включает следующие этапы, длительность которых может составлять от нескольких минут до нескольких часов:
- Предварительное выдерживание свежеотформованных изделий при температуре внешней среды.
- Увеличение температуры в камере до установленного наивысшего уровня.
- Изотермический прогрев бетонных изделий в камере при наивысшей установленной температуре.
- Остывание бетонных изделий в закрытой камере.
Как в естественных условиях, так и при ТВО нарастание структурной прочности бетона делится на два периода. В первый, составляющий 2-4 часа с момента формования изделия, структурная прочность нарастает медленно, тогда как для второго характерно резкое увеличение скорости роста структурной прочности. Во второй период использование ТВО позволяет дополнительно увеличить структурную прочность, поэтому в большинстве случаев её проводят после предварительной выдержки свежесформованного бетона.
За счёт нагрева изделия скорость реакций гидратации цемента быстро возрастает, ускоряя структурообразование бетона. По мере подачи пара в камеру установки в материале по сечению выравнивается поле температур. На этапе охлаждения изделия остаются в закрытой камере, которая для ускорения остывания вентилируется воздухом. В результате 12-часового ТВО, из которых 3 часа отводится на постепенный подъём до необходимой температуры, 6 часов – на изотермическую выдержку и 3 часа – на остывание, бетон успевает набрать порядка 90-105 % своей марочной прочности.
При нормальных температурных условиях первоначальное твердение цементного камня имеет вид процесса циклической самоорганизации клинкерных зёрен и стадийного электрохимического взаимодействия клинкерных минералов с водой, что выражается периодическими скачками структурной прочности. При повышенном температурном режиме эти скачки наступают в то же время, однако температура позволяет сократить интервалы между ними. Если же осуществляется медленный нагрев цементной системы, соотношение между периодичностью скачков структурной прочности изменяется, поскольку с повышением температуры циклы гидратообразования все сильнее сокращаются.
Согласно исследованиям, бетон, подвергавшийся твердению при скорости подъёма температуры 10…15 ℃/ч, обладает максимальной величиной микропористости и минимальной величиной макропористости. Это определяет высокие показатели параметров водопоглощения и морозостойкости и благоприятно отражается на формировании структуры бетона, поры которого имеют близкие по величине размеры и небольшое число сообщающихся связей, что увеличивает теплозащитные свойства и стойкость материала к знакопеременным температурам с сохранением прочности. В случае же увеличения скорости поднятия температуры до 30℃/ч на изделиях образуются неравномерно расположенные поры разного объёма, придающие материалу неоднородную структуру и снижающие его прочность.
Таким образом, ТО и ТВО бетона оказывает значительное влияние на его структуру, качество и важнейшие эксплуатационные характеристики.
Наиболее благоприятно на формировании структуры бетона отражается малая скорость подъёма температуры, параллельно обеспечивающая высокие показатели водопоглощения, морозостойкости и теплозащитных свойств материала и увеличивающая его стойкость к знакопеременным температурам без существенного снижения прочности. Следовательно, при выборе режима ТО и ТВО бетона важно учитывать особенности влияния температурного режима на процессы структурообразования, определяющего основные эксплуатационные свойства бетонных и железобетонных изделий.