Исследование деформаций бетонов в процессе автоклавной обработки

Первоначально опыты проводились с первой моделью прибора, на которой определяли деформации образцов из газобетона, изготовленных с применением следующих материалов: цемента Брянского завода марки 500, извести-кипелки Домодедовского завода активностью 70% при скорости гашения 12 мин. Для изготовления шлакового вяжущего использовали нижнетагильские отвальные и гранулированные шлаки. В качестве кремнеземистого компонента применяли кварцевый песок Люберецкого карьера и золу Ступинской ТЭЦ.

Как отмечалось выше, до запаривания образцы выдерживали 18—20 ч при температуре 18—20° С. Результаты исследований приведены в табл. 6 и на рис. 10 (а, б и в).

Наибольшая деформация бетона в процессе его тепловой обработки (независимо от момента ее появления) названа нами максимальной, а величина деформации бетона через несколько часов после открытия крышки автоклава, когда температура внутри образца при охлаждении достигла своего первоначального значения, названа нами остаточной. При этом максимальные деформации во время запаривания по обычно применяемым режимам могут иметь только положительное значение, так как бетон расширяется, а остаточные (в зависимости от режимов запаривания, предварительной выдержки и других факторов) — как положительное, так и отрицательное. Как видно из приведенных данных, при повышении температуры до 174° С и давления пара до 9 ат образцы из газобетона всех видов расширяются пропорционально повышению температуры среды автоклава.

На второй стадии запаривания деформации расширения достигают максимума и стабилизируются в период изотермической выдержки.

Независимо от объемного веса газобетона и режимов запаривания максимальные деформации составляют 1,7—2,1 мм/м. При снижении температуры до 20° С размеры образцов уменьшаются почти до первоначальных.

Несколько иные результаты были получены при определении линейных деформаций в газозолосиликате (табл. 6). Максимальные деформации расширения не превышали 1,1 мм/м. Это, по-видимому, объясняется тем, что зола-унос имеет более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с кварцевым песком.

На рис. 10, в представлены деформации газобетона, приготовленного на шлаковом вяжущем оптимального состава, которые по своему характеру и величине мало чем отличаются от деформаций газобетона на портландцементе или смешанном вяжущем. Максимальные деформации расширения составляют 1,8—2 мм/м. Деформации же газошлакобетона (рис. 11) заведомо неоптимального состава на основе отвального шлака, извести-кипелки и золы-уноса имели иной характер. В интервале температур 80—100°С наблюдалось резкое увеличение размеров образца. При изменении температуры в автоклаве всего на 20°С деформации образца возросли примерно с 0,4 до 2,6 мм/м. Максимальные деформации расширения при 174° С составляли 3,5 мм/м, т. е. примерно в 2 раза больше по сравнению с образцами из газобетона на цементе или смешанном вяжущем. Остаточные деформации в этих образцах составляли 1,6 мм/м, а на их поверхности имелись продольные трещины.

Наши опыты подтвердили данные Л.М. Розенфельда о том, что газошлакозолобетон неоптимального состава склонен к значительным объемным изменениям, которые вызывают образование трещин в изделиях в процессе автоклавной обработки.

На рис. 12 представлены расчетные значения деформаций газобетона в зависимости от температуры. На этом же рисунке приведены экспериментальные данные.

Расчетные значения деформаций определялись из условия, что коэффициент линейного расширения газобетона составляет 12,25*10в-6 1°/С.

Известно, что коэффициент линейного расширения кварца до температуры 200° С составляет 12,5*10в-6, а портландцемента — 11—12*10в-6. При составе газобетона 1:1 = цемент : песок можно принять, что коэффициент его линейного расширения составляет 12,25-10-6 I/0С. В этом случае расширение газобетона при изменении температуры от 20 до 174° С составляет 12,25*10в-6 (174—20) 1000 = 1,89 мм/м.

Из рис. 12 следует, что экспериментальные данные близки к расчетным значениям, и, следовательно, деформации газобетона в данных условиях определяются в основном температурным расширением его составляющих. Образование гидросиликатов в процессе твердения не сопровождается заметным изменением объема материала.

Деформации тяжелого бетона на известняковом щебне и керамзитобетона на ленинградском керамзите в процессе пропаривания при t = 80° С и автоклавной обработки при давлении 9 ат исследовались на второй модели прибора.

Для изготовления образцов применяли портландцемент Новороссийского и Белгородского заводов марки 500, известняковый щебень двух фракций 5—10 и 10—20 мм, а также керамзитовый гравий Дубровского завода, состоящий тоже из двух фракций 5—10 и 10—20 мм в соотношении 1:1 по объему.

В качестве мелкого заполнителя в первом случае применяли кварцевый песок Люберецкого месторождения, а во втором — пористый песок, полученный дроблением крупного пористого заполнителя.

На рис. 13 и 14 и в табл. 7 приведены данные о максимальных и остаточных деформациях, а также прочности. Как следует из этих рисунков, деформации бетонов на тяжелом известняковом щебне и на пористых заполнителях в процессе автоклавной обработки изменяются в значительной степени как по характеру, так и по величине, в зависимости от многих факторов. Общая же картина деформаций плотных тяжелых и легких бетонов следующая.

В период подъема температуры происходит расширение бетона, при изотермической выдержке наблюдается стабилизация размеров; при снижении температуры размеры образца уменьшаются по сравнению с максимально достигнутыми, однако практически не достигают первоначальных. На ряде кривых деформаций образцов при автоклавной обработке имеются аномалии в виде пиков, которые будут рассмотрены далее. В образцах 1, 2 и 3 остаточные деформации не фиксировались. Максимальные деформации образцов в данных опытах колебались от 2,3 до 19 мм/м. Такие же величины максимальных деформаций при запаривании плотных бетонов отмечали Менцель и другие исследователи.

Максимальное расширение в значительной мере зависит от времени предварительного выдерживания (рис. 13 и 14) и уменьшается по мере его увеличения. Так, при кратковременном предварительном выдерживании (до 2 ч) максимальная деформация расширения для различных бетонов составляла 14—19 мм/м, в то время как при предварительном выдерживании в течение 18—21 ч — всего около 2,3—2,35 мм/м. Очевидно, к моменту начала автоклавной обработки данные образцы уже имели прочную сложившуюся структуру, которая была способна противостоять напряжениям, возникающим в бетоне при его нагревании, и поэтому размеры образцов в процессе запаривания изменялись в близком соответствии со значениями коэффициента линейного расширения затвердевшего бетона. На поверхности образцов, имеющих такой характер расширения, после автоклавной обработки как в формах, так и без них никаких трещин не обнаруживалось. Внешне те и другие образцы не отличались друг от друга, имели близкие значения прочности, а образцы, запаренные без форм, — незначительные остаточные деформации.

Следовательно, можно заключить, что автоклавная обработка практически не приводит к существенным структурным нарушениям в бетонах, имеющих определенную начальную прочность и уже в какой-то мере сложившуюся структуру, и бетоны, расширяющиеся в процессе запаривания в близком соответствии с коэффициентом линейного расширения затвердевшего материала, можно подвергать автоклавной обработке в распалубленном виде.

Весьма интересны кривые деформации бетонных образцов 2 и 5 с небольшой предварительной выдержкой (порядка 45—120 мин). При подъеме температуры до 97—100° C наблюдается значительное расширение образцов, при температуре около 100—110° C размеры образцов, как правило, резко уменьшаются, а при последующем повышении температуры до 175° С происходит дальнейшее, но уже незначительное расширение, которое остается практически неизменным в период изотермического прогрева. При снижении температуры и давления в автоклаве размеры образцов снова сокращаются на незначительную величину, при этом остаточное расширение составляет 13—18 мм/м, а образцы, запариваемые без форм, независимо от вида бетона имеют много трещин и низкую прочность (см. табл. 7), что свидетельствует о явном нарушении структуры бетона в процессе запаривания.

Наибольший интерес при анализе деформаций данных образцов представляет первый участок кривой в интервале температур от 16—20 до 97—100°С. Судя по характеру кривых, именно в этот период происходят основные физические деструктивные процессы, которые, оказавшись необратимыми, приводят к значительному ухудшению свойств бетонов.

При впуске пара в автоклав начинается повышение температуры среды и прогрев образцов, что вызывает увеличение их размеров. Наибольшее расширение наблюдается в интервале температур 40—100°С. В опытах Н.И. Подуровского и В.А. Федорова наибольшие деформации расширения отмечались в интервале температур 40—70° С.

Величина расширения бетона с небольшой предварительной выдержкой в несколько раз превосходит деформации теплового расширения зрелого бетона и свидетельствует о снижении плотности и нарушении сплошности бетонного образца. В наших опытах столь значительные деформации расширения наблюдались только до 100° C. Как правило, до этого момента при медленном подъеме давления в автоклаве не возникает избыточного давления, и фактически существуют условия обычного пропаривания изделий при атмосферном давлении.

Анализ физических процессов, происходящих в бетонах в период пропаривания при атмосферном давлении, проведенный в последние годы в НИИЖБ, показал, что основными причинами, вызывающими деформации материала в процессе тепловой обработки, являются: изменение температуры бетона и соответственно его составляющих, происходящее в первый и третий периоды тепловой обработки, и уменьшение водосодержання бетона главным образом в период снижения температуры.

Поскольку уменьшение влаги в бетоне при снижении температуры приводит к усадочным деформациям, основной причиной увеличения объема бетона при тепловлажностной обработке можно считать тепловое расширение его составляющих, что подтверждается характером деформаций (см. рис. 13). По мере повышения температуры объем бетона так же, как и любого физического тела, увеличивается. При этом изменение размеров его связано с изменением температуры, что особенно наглядно видно при ступенчатом подъеме температуры (рис. 15).

При нагревании свежеотформованного бетона все его составляющие увеличиваются в объеме в соответствии с их собственными коэффициентами температурного расширения. При этом значительное влияние на величину деформаций свежеизготовленных образцов оказывают вода и воздух, содержащиеся в бетоне. Как известно, коэффициент объемного расширения воды при нагревании от 20 до 80° С изменяется в пределах от 3 до 5,87*10в-4 1/°С, а коэффициент расширения воздуха составляет примерно 36,7*10в-4 1/°С, т. е. температурное расширение воздуха и воды соответственно в 300—350 и 30—60 раз больше, чем твердых составляющих бетона.

В свежеотформованном бетоне содержится воздух, растворенный в воде затворения, адсорбционно связанный поверхностями твердых составляющих, защемленный в заполнителях и вовлеченный в бетонную смесь при изготовлении и укладке. Под влиянием вибрирования, а также теплового воздействия происходит переход растворенного, адсорбированного, защемленного и вовлеченного воздуха в свободное состояние и расширение его при нагревании бетона. При таком расширении воздух и пары воды создают значительное внутреннее давление на стенки пор. Если при этом прочность бетона недостаточна, воздух будет интенсивно выходить из массы изделия, разрыхляя поверхностные слои свежеотформованного бетона. С увеличением прочности бетона при нагревании миграция воздуха затрудняется, и внутреннее давление возрастает до тех пор, пока не превысит прочности бетона на разрыв. В этом случае воздух выйдет из бетона, образовав трещину и тем самым нарушив сплошность его структуры.

Такие структурные нарушения прежде всего характерны для поверхностных слоев бетона вследствие их более быстрого прогрева и отсутствия вышележащих слоев, играющих роль при-груза.

Значительное влияние на протекание деструктивных процессов оказывают расширяющиеся вода и воздух.

Рейнсдорф в Генеральном докладе на конференции РИЛЕМ (Москва, 1964 г.) для сравнения приводит коэффициенты объемного расширения различных составляющих бетона при температурах от 60 до 80° С:

Он также считает, что этот фактор имеет немаловажное значение при уяснении причин структурных нарушений свежеотформованного бетона, возникающих в результате нагревания.

При анализе причин структурных нарушений в бетоне во время тепловой обработки недостаточное внимание уделяется характеру перемещения влаги в твердеющем бетоне. При нагреве влага значительно увеличивается в объеме вследствие теплового расширения, при этом создается определенное давление на стенки пор и капилляров.

Таким образом, возникновение и развитие деструктивных процессов в бетоне, приводящих к существенному ухудшению его физико-технических свойств, обусловливается в основном тепловым расширением составляющих бетона (главным образом, воздуха и воды), а также перемещением влаги под воздействием температурно-влажностных градиентов.

Особый интерес при анализе характера деформаций бетонов в процессе автоклавной обработки представляют отмеченные в начале настоящего раздела аномалии некоторых кривых при температурах 97—100°С. В литературе нам не удалось найти каких-либо данных о существовании подобных аномалий.

Как видно из рис. 13 и 14, кривые деформаций образцов, подвергаемых автоклавной обработке после кратковременного предварительного выдерживания до запаривания, при температуре 97—100° C имеют характерные пики. При этой температуре обычно закрываются вентили, соединяющие пространство автоклава с атмосферой, и в нем создается избыточное давление, которое, очевидно, и обусловливает появление указанных пиков, свидетельствующих о некотором кратковременном сокращении размеров образца. Видимо, в этот момент ранее образовавшиеся в образце трещины частично закрываются под воздействием внешнего обжатия (избыточного давления). Однако к этому времени в бетоне образовалось уже много трещин и других дефектов. Возможно, часть микротрещин при дальнейшем твердении заполняется продуктами гидратации вяжущих, и происходит частичное восстановление сплошности бетона, но основные дефекты структуры, появившиеся на начальной стадии запаривания, остаются необратимыми.

Наши выводы о первостепенной роли периода подъема температуры до 100° C в формировании структуры бетона при автоклавной обработке согласуются с исследованиями Б.Я. Линденберга и Г.Я. Кунноса, которые в качестве основных критериев процесса структурообразования бетона приняли его упругие (модуль упругости Н) и неупругие (логарифмический декремент затухания 6) характеристики.

В период изотермического выдерживания при максимальном давлении пара деформации образцов в основном стабилизируются, причем они остаются практически постоянными независимо от длительности изотермического прогрева. Так, в наших опытах максимальные деформации были почти одинаковы для керамзитобетона, запаренного по режимам 2+4+1 и 2+8+1 ч при 9 ат. По-видимому, при увеличении продолжительности изотермического прогрева с 4 до 8 ч деформации, связанные с физико-химическими процессами гидратации вяжущего и появлением определенных фаз настолько малы, что чувствительность применяемых приборов уже недостаточна для их регистрации.

В период охлаждения, так же как и в период подъема температуры и давления, создаются условия для развития деструктивных процессов в бетоне, однако материал к этому времени уже обладает достаточной механической прочностью и способен в значительной мере противостоять разрушению. Об этом свидетельствуют кривые деформаций бетона при охлаждении, на величину и характер которых влияет коэффициент линейного расширения затвердевшего материала, а также влажностная усадка бетона.

Таким образом, в периоды подъема и понижения температуры при автоклавной обработке существуют условия для возникновения в материале различных деструктивных процессов. Весьма важную роль в формировании структуры бетона играет начальный период подъема температуры от 20 до 100°С. Поэтому особое внимание в наших исследованиях уделялось изучению влияния скорости подъема температуры в автоклаве и времени предварительного выдерживания на формирование структуры бетона.