Физические процессы при автоклавной обработке бетонов

Твердение портландцемента и других минеральных вяжущих в различных температурно-влажностных условиях сопровождается сложным комплексом физико-химических процессов, которые определяют фазовый состав новообразований и микроструктуру цементного камня.

Высокая температура и давление насыщенного пара в автоклаве создают благоприятные температурно-влажностные условия для протекания реакций гидратации и твердения вяжущих и быстрого образования высокопрочного цементирующего вещества. В то же время при подъеме и спуске температуры в автоклаве вследствие образования температурных и влажностных градиентов по сечению запариваемого изделия возникает напряженное состояние, приводящее к развитию деструктивных процессов в бетоне. Его структура и физико-механические свойства ухудшаются и, следовательно, значительно снижается эффект, который должен быть получен в результате интенсификации твердения вяжущих.

Рассмотрим основные физические процессы, происходящие в бетоне при автоклавной обработке.

Как известно, весь цикл автоклавной обработки состоит из следующих трех периодов:

1) подъема температуры и давления в автоклаве до достижения заданных максимальных значений;

2) выдерживания изделий при постоянных температуре и давлении в автоклаве;

3) снижения температуры и давления.

В первый период запаривания насыщенный пар, поступающий в автоклав, при соприкосновении с холодными поверхностями изделий, бортами форм и стенками автоклава начинает охлаждаться и конденсироваться. Вследствие этого изделие поглощает некоторое дополнительное количество воды, что было неоднократно подтверждено экспериментами.

При нагревании свежеотформованного бетона происходит тепловое расширение всех его составляющих в соответствии сих коэффициентами температурного расширения, причем, как известно, вода и воздух, содержащиеся в бетоне, имеют наибольшие коэффициенты температурного расширения. Особенный ущерб наносят расширяющиеся воздух и вода при запаривании свежеотформованных изделий без форм или крупноразмерных изделий в открытых формах (с большой открытой поверхностью) по режимам с быстрым подъемом температуры. Если же форма со свежеотформованным изделием закрыта со всех сторон, она ограничивает свободные деформации бетона и тем самым в значительной степени препятствует возникновению в нем структурных нарушений.

На формирование структуры плотного бетона определенное влияние оказывает также разница коэффициентов линейного расширения цементного камня и зерен крупного и мелкого заполнителей.

Нарушения структуры поверхностных слоев свежеотформованного бетона в первый период запаривания происходят также вследствие непосредственного соприкосновения конденсата с открытыми поверхностями изделий.

Если бетон до запаривания достиг некоторой начальной прочности и структура его частично сформировалась, т. е. его можно считать упруго-пластическим телом, то вследствие температурных перепадов весь объем изделия будет находиться в напряженном состоянии, и при определенных условиях термические напряжения могут не только нарушить микроструктуру материала, но привести к образованию трещин в изделии.

При подъеме температуры среды не должно быть снижения температуры и давления по сравнению с ранее достигнутым их значением. Внезапное снижение давления в автоклаве приводит к интенсивному испарению воды на поверхности изделий и во внутренних зонах и образованию потоков пара, как в третьем периоде запаривания. В первый же период, когда прочность изделий еще незначительна, снижение давления в автоклаве особенно опасно и при определенных условиях может привести к значительному нарушению структуры бетона.

Во второй период продолжается прогрев изделий при установлении в автоклаве постоянных температуры и давления. Время, за которое выравнивается температура по сечению изделий, зависит от теплофизических свойств бетона, толщины изделия, а также от интенсивности подъема температуры и давления в первый период запаривания.

При изотермическом прогреве, когда температура бетона достигнет заданной величины, происходит интенсивное образование гидросиликатов кальция и других цементирующих новообразований, которые фиксируют структуру, сложившуюся в период подъема температуры. В этот период объемные изменения бетона в основном являются следствием физико-химических процессов твердения.

В третий период при снижении давления пара в автоклаве влага, находящаяся в порах и капиллярах бетона, оказывается перегретой и вскипает по всему объему изделия, т. е. происходит интенсивное испарение воды. Образующиеся при испарении интенсивные потоки пара перемещаются по порам и капиллярам под воздействием разности давлений в бетоне и среде автоклава, что в случае недостаточной прочности бетона приводит к нарушению структуры и образованию трещин.

В зависимости от скорости снижения давления пара, количества свободной воды, находящейся в бетоне, толщины изделия, а также степени сообщаемости пор, напор пара, движущегося по капиллярам, будет различным. Как показывают расчеты, проведенные К.Э. Горяйновым и И.Б. Заседателевым, объем пара, испаряющегося из изделия при снижении давления с 2 до 1 ат, более чем в 20 раз превышает объем пара, удаляющегося из изделия при снижении давления с 9 до 8 ат. Поэтому для предотвращения нарушений структуры бетона скорость снижения давления пара должна устанавливаться в зависимости от уровня и перепадов давлений по сечению изделия и прочности бетона.

После снижения давления пара до атмосферного дальнейшее остывание происходит вследствие конвективного теплообмена со средой, а также частичного испарения влаги из бетона. Из-за низких значений коэффициента теплообмена остывание изделий до температуры воздуха помещения происходит медленно.

Возникающие в процессе остывания температурные перепады при определенных условиях могут привести к появлению опасных растягивающих напряжений, образованию трещин, а порой к разрушению изделий. Напряженное состояние в бетоне является следствием не только температурных перепадов по сечению изделия, но и различия коэффициентов линейного расширения составляющих бетона. При охлаждении бетона его компоненты стремятся сократиться в объеме, каждый соответственно своему коэффициенту линейного расширения, в результате чего в зонах контакта новообразований с заполнителями также возникают растягивающие напряжения, снижающие прочность бетона.

Степень воздействия деструктивных процессов на формирующуюся структуру бетона в значительной мере определяется режимом автоклавной обработки. Работы авторов и других исследователей показали, что существуют такие оптимальные режимы запаривания, при которых можно практически избежать структурных нарушений в бетоне. Однако выбор таких режимов, зависящих от многих технологических факторов, весьма затруднителен, тем более что до последнего времени они, как правило, назначались опытным путем на основании результатов последующих испытаний образцов на прочность.

Имеющиеся в настоящее время рекомендации относительно оптимальных режимов запаривания бетонов, так же как и мнения различных исследователей о значении периодов подъема и снижения температуры в процессе автоклавной обработки изделий, противоречивы. Различные взгляды существуют как в оценке роли этих периодов в процессе автоклавной обработки, так и в анализе причин возникновения в бетонах трещин и других дефектов. Такое положение объясняется прежде всего отсутствием соответствующих исследований физических процессов, происходящих в бетонах при автоклавной обработке.

До последнего времени не существовало методик и приборов, способных точно и надежно работать в условиях высокотемпературного водяного пара при давлении 9—13 ат и более, с помощью которых можно было бы изучить физические процессы в бетонах по изменению их деформаций, температурных полей, влажности, прочности на сжатие и растяжение, упругих и других физико-механических характеристик. Только зная сущность процессов, происходящих в бетонах при запаривании, технолог может обоснованно назначать режимы автоклавной обработки, управляя указанными процессами и изменяя их для обеспечения требуемых свойств бетона.