Тепловологісна обробка
Бетоном називають композіціоннийматеріал, що складається з цементного каменю, заповнювач і контактного шару між ними.
Швидкість наростання структурної міцності цементного каменю, як і швидкість будь-якої хімічної реакції, може бути різко збільшена з підвищенням температури середовища при тепловій обробці. Щоб зберегти при цьому вологу, яка необхідна для процесу гідратації зерен цементу, для теплової обробки використовують пар. Теплову обробку бетону з умовою збереження вологи в матеріалі називають тепловлажностной обробкою (ТВО). Для уявлення про принципи такої обробки бетону охарактеризуємо матеріал і умови її ведення в процесі виготовлення збірного бетону та залізобетону.
Матеріал, що завантажується в установку для обробки їх, - свежесформованной або попередньо витриманий бетон, - складається з твердої, рідкої і газоподібної фаз.
Тверда фаза представлена заповнювачем (щебінь, гравій, пісок), що мають капілярно-пористу структуру, і формується структурою цементного каменю, що зв'язує заповнювач в конгломерат. Структура цементного каменю формується також у вигляді пористого тіла з різними хаотично розташованими капілярами діаметром від 2 # 8729; 10 -7 до 10 -2 см; можуть зустрічатися пори і значно більшого діаметра. В майбутньому цементному камені протягом усього періоду затвердіння відбуваються процеси гідратації зерен цементу, тому тверда фаза - система нестабільна.
Рідка фаза представлена хімічно пов'язаної, фізико-хімічно і фізико-механічні-но пов'язаної вологою. Волога заповнює систему капілярів і бере участь в процесі гідратації. Тому кількість вологи, пов'язаної з матеріалом різним способом, весь час змінюється. Кількість води залежить від обраного В / Ц і для важкого бетону становить близько 170 ... 200 л / м 3. Вода замішування вже в процесі формування починає зв'язуватися з цементом. У перші одну-дві години, рахуючи від початку замішування бетону, кількість хімічно зв'язаної вологи дуже невелика, так як в реакції гідратації вступає не більше 1% цементу, що міститься в бетоні. Інша волога доводиться на фізико-хімічну і фізико-механічну. Поступово в хімічні реакції залучається більше цементу, і йде перерозподіл вологи за формами зв'язку. Кількість хімічно і фізико-хімічно зв'язаної вологи зростає, частка фізико-механічної зменшується.
Газоподібна фаза складається з повітря, залученого при формуванні, повітря, що виділився при деаерації води замішування за рахунок вібрації при формуванні, і газу, що виділяється зі складових бетону в результаті хімічних реакцій. Кількість газоподібної фази, за даними НИИЖБ, оцінюється в 30 ... 40 л / м 3.
Наростання структурної міцності бетону в природних умовах і при тепловій обробці ділять на два періоди. У першому з них, протягом приблизно 2 ... 4 годин з моменту формування, структурна міцність наростає повільно. Другий період характеризується різким збільшенням швидкості росту структурної міцності, яка може бути збільшена ще більш за рахунок обробки їх. Тому для поліпшення якості бетону рекомендується починати тепловологу обробку саме в другому періоді. З урахуванням цього ТВО в більшості випадків ведуть після попередньої витримки свежесформованной бетону. Попереднє витримування виробів до пропарювання сприяє утворенню початкової структури бетону в умовах відсутності температурних деформацій і міграції вологи, що позитивно відбивається на міцності і стійкості готових виробів.
Оптимальний час попереднього витримування коливається від 2 до 10 годин і відповідає початку схоплювання бетону, при якому він набуває міцність близько 0,3 ... 0,5 МПа. Після цього бетон в закритій або відкритій формі, а іноді після достатньої для попереднього твердіння тривалої витримки, зі знятою бортоснастки на піддоні завантажують в установку, куди подається пар. Пар, як більш нагріте тіло, віддає теплоту пароутворення менш нагрітих тіл - матеріалу і установці, нагріває їх, а сам у вигляді конденсату видаляється з установки. За рахунок нагріву швидкість реакцій гідратації цементу різко зростає і прискорюється структуроутворення бетону.
Поступово матеріал в установці нагрівається до температури пароповітряної суміші (крім пара в установці знаходиться повітря). Час, який проходить з початку нагріву до досягнення бетоном температури пароповітряної суміші, називають першим періодом обробки їх (рис. 10.1).
tc º, tc ', tc "- температура середовища в камері відповідно після завантаження, максимальна і при вивантаженні; tm º, tm', tm" - то ж, матеріалу; I, II, III - відповідно періоди підігріву, витримки та охолодження
Малюнок 10.1 - Схематичні криві зміни температури середовища і матеріалу
в установці для обробки їх бетону
У другій період подача пара в установку триває. У матеріалі по його перетину поступово вирівнюється поле температур, бо температура в установці в цей період не змінюється. Це так званий період ізотермічної витримки. Тривалість його визначається швидкістю вирівнювання температурного поля в матеріалі і кінетикою хімічних реакцій.
Далі настає третій період - охолодження. В цей час пар в установці не подається. Для більш швидкого охолодження установку вентилюють повітрям. В цьому випадку з поверхонь матеріалів, форми, установки швидко випаровується волога, бетон також починає втрачати її.
В процесі обробки їх відбувається ряд фізичних, фізико-хімічних і хімічних процесів, які і формують структурну міцність бетону. Механізм формування структурної міцності бетону розбирається детально в курсі "Технологія бетонних і залізобетонних виробів", тому ми зупинимося на ньому дуже коротко, щоб пов'язати з ним одночасно йдуть і що впливають на нього тепло- і масообмінних процеси.
У початковий період цемент реагує з водою, за рахунок реакції гідратації утворюється пересичений розчин новоутворень і по теорії Байкова А.А. новоутворення, виділяючись у вигляді гелю з пересичені розчину, формують первинну структуру цементного каменю. Ця первинна структура має вигляд пухкого каркаса, який по А.А. Байкову і
П.А. Ребиндера, постійно зміцнюється.
Отриманий під час гідратації цементний гель збільшується в розмірах одночасно всередину і назовні цементних зерен, займає майже в два рази більший обсяг, ніж зерна цементу, з яких він утворюється. Тому гель змушений займати простір, де раніше знаходилися вода і повітря, зменшувати пористість і радіус пір. Все це змушує вільну вологу і повітря переміщатися по бетону, а сам бетон обмінюватися вологою і повітрям з навколишнім середовищем.
Пересування вологи і повітря (маси) за матеріалом, а також зміна температурного поля впливає на що формується структуру матеріалу. Якщо утворюється структура не в змозі протистояти силі, з якою пересувається маса (волога і повітря), слагающаяся з силою виникають температурних напружень, то ця структура в більшій чи меншій мірі може руйнуватися. Оскільки, зі збільшенням швидкості нагріву, сили пересування маси наростають, то нагрів виробів слід вести з якоюсь цілком певної, безпечної для порушення структури швидкістю.
Найбільша швидкість формування структури бетону спостерігається в другий період обробки їх, під час витримки при постійній температурі. Різниці температури і вологовмісту по перерізу матеріалу в цей період починають зменшуватися і поступово вирівнюються, що значно покращує умови структуроутворення. Крім того, в цей час йде подальша гідратація цементу. Волога з утворився на поверхні гелю відсмоктується внутрішніми шарами цементного зерна. Внаслідок зниження вмісту вологи гелю, починається кристалізація новоутворень, що і обумовлює наростання процесів структуроутворення і зміцнення всієї системи.
У третій період - охолодження, з матеріалу інтенсивно видаляється волога, процеси кристалізації новоутворень і структуроутворення різко посилюються, матеріал цементується. Однак в цей час знову починають зростати перепади температур і вологовмісту між поверхнею і центральними шарами матеріалу, зростає массоперенос всередині матеріалу. Ці процеси знову починають впливати на структуру матеріалу і можуть знову привести до її часткового руйнування.
Все сказане змушує глибше розглянути процеси тепло- і масообміну, пов'язати їх з виникненням напруженого стану та формуванням структури бетону.