Влияние скорости подъема температуры и времени предварительного выдерживания на развитие деформации при тепловлажностной обработке бетонов

19.07.2019

Ряд исследователей за основной критерий, характеризующий деструктивные процессы при пропаривании, приняли величину остаточных деформаций бетона после тепловлажностной обработки. Как отмечалось выше, при снижении давления и температуры в автоклаве наблюдается уменьшение размеров образцов, причем образцы с ненарушенной структурой, как правило, возвращаются почти к первоначальным размерам (образцы 18, 30, 33, 45 и др.), образцы же с нарушенной структурой характеризуются наличием значительных остаточных деформаций (табл. 8).

Наши исследования показали, что плотные бетоны, запаренные без форм, имеют остаточное расширение. В то же время у некоторых образцов, запаренных по определенным режимам, не только не было остаточного расширения, но размеры их даже несколько (на 0,1—0,4 мм/м) уменьшились по сравнению с первоначальными (образцы 26, 28, 38, 40, 42, 44 и др.).

На деформации бетона при охлаждении кроме понижения температуры значительное влияние оказывает влажностная усадка, происходящая вследствие его интенсивного обезвоживания. Однако при достаточно высокой исходной влажности бетона его влажностная усадка начинается не сразу, а лишь после удаления определенного количества влаги. Чем больше влажность бетона в конце изотермического прогрева, тем позже начинается влажностная усадка. С.В. Александровский предлагает называть влажность бетона, при которой в нем начинает развиваться усадка, «критической» влажностью (Wкр).





В табл. 9 приведены полученные В.А. Федоровым данные о количестве воды, испарившейся из керамзитобетона в результате пропаривания и автоклавной обработки. Как следует из таблицы, при пропаривании из бетона испаряется 25—42% воды затворения, оставшееся количество влаги (58—75%) обычно превышает Wкр, равное 45—48%. При этом в период снижения температуры, хотя и происходит обезвоживание образцов, однако влажностная усадка незначительная и уменьшение размеров образцов в основном является результатом снижения температуры. Поэтому остаточные деформации после пропаривания могут служить достаточно надежным критерием для оценки степени нарушения структуры бетона.

При автоклавной же обработке испаряется значительно большее количество воды, и влажностная усадка в значительной мере завершается в процессе запаривания. Вследствие этого некоторые образцы после автоклавной обработки не только не имели остаточного расширения, но и несколько уменьшились в размерах по сравнению с первоначальными. Поэтому для оценки степени нарушения структуры бетона в процессе автоклавной обработки более надежным критерием являются его максимальные деформации. Кроме того, фиксация остаточных деформаций методически затруднительна, ибо практически невозможно обеспечить одинаковую температуру в образце в начале и конце опыта и тем самым исключить роль температурных деформаций. Контроль же максимальных деформаций при наличии соответствующего прибора весьма прост и надежен.

Выше были рассмотрены некоторые деструктивные процессы, возникающие при тепловой обработке бетона. В то же время с повышением температуры в бетоне начинается интенсивное упрочнение цементного камня, вызванное ускорением физико-химических процессов гидратации вяжущего. На взаимодействие этих процессов при тепловой обработке оказывают влияние в основном две группы технологических факторов: «внутренние», постоянно действующие, и «внешние», временные.

К первой группе относятся: вид, минералогический состав и характеристика вяжущего, состав бетона, форма и размеры изделия и т. п.; ко второй — режим тепловлажностной обработки (главным образом, скорость подъема температуры), максимальная температура обработки, а также время предварительного выдерживания и т. п.

Одним из наиболее важных внешних факторов, оказывающих существенное влияние на формирование структуры бетона, является скорость подъема температуры. Нами были проведены специальные опыты с целью изучения влияния этого фактора на деструктивные процессы в бетоне. Опыты проводились на керамзитобетоне состава 1:1,71:1,43 при В/Ц = 0,7, приготовленном на дубровском керамзите и песчанистом портландцементе (70% портландцемента Белгородского завода марки 500, 30% молотого песка). Жесткость бетонной смеси составляла 20—30 сек.

На рис. 15 представлены деформации керамзитобетона в зависимости от скорости подъема температуры в автоклаве с его герметизацией после достижения температуры 100°С. Наибольшие максимальные и остаточные деформации имеет образец 19, при запаривании которого скорость подъема температуры составляла примерно 75 град/ч. При этом прочность образцов, запаренных без форм, была минимальной, а поверхность их покрылась крупными трещинами, также свидетельствующими о значительном нарушении структуры бетона. По мере снижения скорости подъема температуры уменьшаются максимальные и остаточные деформации расширения и соответственно повышаются прочностные показатели образцов. Так, при скорости подъема температуры 38 град/ч максимальное расширение равнялось 12,5 мм/м, а прочность запаренных без форм образцов составляла 29% прочности образцов, запаренных в формах. При скорости подъема температуры 19 град/ч эти величины достигали соответственно 9,25 мм/м и 42,8%.

Как следует из этих данных, значительное увеличение цикла запаривания за счет периода подъема температуры (с 2 до 8 ч) примерно на 13% повышает прочность бетона, однако деформации расширения, хотя и уменьшаются, но все же остаются весьма значительными. Таким образом, попытки свести к минимуму расширение керамзитобетона путем снижения скорости подъема температуры не дают желательных результатов. Воздействие на бетон высокой температуры на ранней стадии его твердения в любом из указанных выше случаев привело к значительному нарушению структуры материала.

Это объясняется следующим. На величину возникающих в бетоне деформаций влияет скорость подъема температуры; в основном они определяются абсолютным значением достигнутой температуры. Однако чем быстрее температура достигла данного значения, тем меньше времени было для протекания физикохимических процессов гидратации вяжущего, тем слабее структура бетона и, следовательно, ниже его способность сопротивляться возникшим внутренним напряжениям. При более медленном подъеме температуры наблюдается обратная картина, так как структура бетона успевает в большей степени упрочниться и становится способной воспринимать возникающее давление при расширении воздуха и воды. Однако вяжущие, применяемые для бетонов автоклавного твердения, не в состоянии даже при длительном подъеме температуры обеспечить надлежащую прочность бетона.

Более эффективны режимы с прогрессивно возрастающей скоростью или со ступенчатым подъемом температуры. Данные, приведенные на рис. 15, свидетельствуют о преимуществе ступенчатого подъема температуры по сравнению с обычным при тепловой обработке свежеотформованного бетона. При таких режимах деформации расширения уменьшаются, а прочность увеличивается.

Об этом также свидетельствует и текстура поверхности бетона.

Трещины на образце 25, запаренном со ступенчатым подъемом температуры, значительно меньше, чем на образце 24 (рис. 16 и 17). Объясняется это тем, что при сравнительно небольшой выдержке при температуре порядка 40—50° С, когда деструктивные процессы не получили еще значительного развития, бетон вследствие ускорения процессов твердения вяжущих успевает приобрести определенную структурную прочность.

Величины максимальных деформаций образцов, предварительно выдержанных в течение 18—21 ч (см. табл. 7 и 8), свидетельствуют о том, что автоклавная обработка не привела к существенным нарушениям структуры бетона; в то же время о значительных деструктивных изменениях свидетельствуют деформации образцов 2, 5 и др., выдержанных до запаривания в течение 1—2 ч.

Основной целью предварительного выдерживания является приобретение бетоном достаточной начальной прочности, что делает его способным противостоять различным деструктивным процессам в период термовлажностной обработки и главным образом при подъеме температуры до 100°С. Кроме того, при предварительном выдерживании за счет гидратации вяжущего и частичного испарения влаги несколько снижается общее количество воды — одного из компонентов бетона, существенно влияющих на интенсивность деструктивных процессов; однако это обстоятельство имеет второстепенное значение.

На рис. 18 и в табл. 8 представлены деформации керамзитобетона в зависимости от величины его начальной прочности в процессе автоклавной обработки по режиму 2+4+1 ч при 9 ат. Как видно из рисунка, с увеличением времени предварительного выдерживания и, следовательно, с повышением начальной структурной прочности керамзитобетона его максимальные деформации в процессе автоклавной обработки резко уменьшаются. Так, при предварительной выдержке, равной 2 ч, максимальная деформация бетона составляла 17,4 мм/м, при выдержке в течение 7,25 ч и начальной прочности R0=2,15 кГ/см2 — 11,2 мм/м, а при выдержке в течение 12,5 ч и R0, равной 9,9 кГ/см2, — 2,4 мм/м.

Установлено, что уменьшение максимальных деформаций происходит до момента приобретения бетоном прочности при сжатии, равной приблизительно 7—8 кГ/см2 (рис. 18). Далее, сколько бы ни увеличивались время предварительного выдерживания и соответственно начальная прочность образцов, максимальные деформации их в процессе автоклавной обработки по данному режиму остаются постоянными, равными приблизительно 2,3—2,5 мм/м при нагреве до 174° С.

Ta прочность бетона при сжатии до запаривания, при увеличении которой максимальные деформации материала, возникающие в процессе автоклавной обработки, практически не изменяются, названа нами критической прочностью (Rкр) бетона данного состава. В рассмотренном опыте Rкр=7-8 кГ/см2. Величины максимальных деформаций образцов, запаренных с R0 > Rкр, находятся в близком соответствии с величиной коэффициента линейного расширения затвердевшего бетона и свидетельствуют о том, что начальная структура бетона оказала достаточное сопротивление деструктивному действию и существенных микронарушений в бетоне не произошло.

Из рис. 19 видно, что перегиб линии максимальных деформаций примерно соответствует перегибу кривой нарастания относительной прочности образцов, запаренных без форм. Эта закономерность имеет большое значение, поскольку она дает возможность косвенно судить о достижении бетоном критической прочности, соответствующей данному подъему температуры.

Выше отмечалось, что по мере увеличения начальной прочности бетона R0 внутреннее давление Рв, возникающее при воздействии повышенных температур на твердеющий бетон, в меньшей степени нарушает его структуру.

На рис. 20 и в табл. 8 представлены деформации образцов из керамзитобетона одного и того же состава, имеющих к началу запаривания различную прочность, больше критической или равную ей.

При прочности бетона, равной Rкр, даже весьма жесткий режим запаривания, в частности скорость подъема температуры порядка 10 град/мин (15 мин. до 174° С), не приводит к нарушению макроструктуры бетона. При запаривании бетонов с начальной прочностью, равной Rкр, происходят процессы, связанные с упрочнением структуры и физико-химическими процессами гидратации и твердения вяжущего.

В.М. Москвин, М.М. Капкин и Б.М. Мазур, исследовавшие влияние предварительной выдержки перед пропариванием на характер деформации бетона при последующем замораживании, подтвердили, что существует такое оптимальное время предварительного выдерживания, а следовательно, такая начальная прочность, обладая которой бетон при тепловлажностной обработке практически не претерпевает структурных нарушений, о чем свидетельствует характер дилатометрических кривых образцов при отрицательных температурах.

О достижении бетоном критической прочности до начала автоклавной обработки можно косвенно судить по равенству прочностей образцов, запаренных в формах и без них, а также по наличию или отсутствию видимых трещин на поверхности материала, запаренного без формы.

Приведенные исследования согласуются с выводами А.В. Волженского о существовании критических скоростей нагревания материала в автоклаве (vкр). Если скорость впуска пара меньше vкр, то «обеспечиваются благоприятные результаты запаривания, в противном же случае происходит деформация продукции».

Вывод о существовании критических скоростей нагревания материала в автоклаве был сделан при исследовании режимов запаривания силикатного кирпича, блоков и других изделий на бесцементных, главным образом известково-песчаных вяжущих, которые либо совсем не твердеют в нормальных условиях, либо твердеют очень медленно. В наших исследованиях применение такого достаточно активного при нормальных температурах вяжущего, как песчанистый портландцемент, позволило ввести понятие «критическая прочность».

На так называемую «структурную особенность» материала, зависящую от его начальной прочности, указывал также И.А. Хинт.

Б.В. Осин и В.В. Волков показали, что при производстве силикатных бетонов также можно ориентироваться на приобретение бетоном-сырцом прочности выше критической. Это, по их мнению, открывает возможность «бесформового запаривания изделий без потери прочности». Эти авторы также установили, что величина критической прочности бетона-сырца в значительной степени зависит от содержания воздуха и его состояния в бетоне, которые, в свою очередь, определяются способом подготовки сырца к запариванию. По их данным, при пониженной формовочной влажности смеси (7%) и введении в состав ее комплексных добавок (сырого гипса и ССБ) прочность бетона-сырца через 6 ч после формования превышает 60 кГ/см2.

Можно предположить, что каждой скорости подъема температуры в автоклаве соответствует определенная величина начальной критической прочности, достигнув которой бетон способен противостоять деструктивному действию, соответствующему данной скорости подъема температуры. В связи с этим была проведена серия экспериментов по выявлению зависимости между скоростью подъема температуры в автоклаве и величиной критической прочности. При этом запаривание производилось по обычному режиму, когда избыточное давление в автоклаве возникало при температуре порядка 100°C. На рис. 21 представлены деформации в процессе запаривания и прочность при сжатии керамзитобетона, подвергнутого автоклавной обработке по режимам 4+4+1 и 1+4+1 ч при 9 ат в зависимости от его начальной прочности. Перегиб линии максимальных деформаций на приведенных графиках, так же как и на рис. 19, совпадает с перегибом кривой нарастания прочности образцов, запаренных без форм, а при стабилизации деформаций прочностные показатели образцов, запаренных в формах и без них, приобретают почти одинаковые значения. Рис. 22. Изменение величины

Как следует из рис. 21, каждой скорости подъема температуры в автоклаве соответствует определенное значение Rкр. Так, при подъеме температуры до 174° С за 4 ч Rкр примерно соответствует 5,5—6,5 кГ/см2, а за 1 ч — 7—8 кГ/см2. При подъеме за 0,5 ч прочность составила 6,5—7,5 кГ/см2.

Обобщенная зависимость между скоростью подъема температуры и величиной критической прочности приведена на рис. 22.
Влияние скорости подъема температуры и времени предварительного выдерживания на развитие деформации при тепловлажностной обработке бетонов

Можно было предположить, что эта зависимость имеет пропорциональный характер: чем быстрее поднимается температура в автоклаве, тем сильнее проявляются деструктивные процессы, и, следовательно, чтобы противостоять им, бетон должен обладать большей начальной прочностью. В действительности оказалось, что кривая зависимости критической прочности от режима запаривания состоит из двух ветвей. Вначале, как и предполагалось, с увеличением скорости подъема температуры примерно до 80—100 град/ч величина Rкр возрастает, но с дальнейшим повышением скорости подъема температуры наблюдается стабилизация или даже некоторое снижение Rкр.

Судя по величинам максимальных деформаций образцов в процессе запаривания, при быстром подъеме температуры интенсивность деструктивных процессов несколько ниже, чем при медленном подъеме. Это можно объяснить тем, что при быстром подъеме температуры через 10—15 мин после начала запаривания уже возникает избыточное давление, обжимающее бетон и препятствующее протеканию в нем деструктивных процессов; за такое короткое время структура бетона нарушится только в периферийных слоях.

Вопрос о влиянии времени предварительного выдерживания на величину и характер деформаций материала в процессе автоклавной обработки представляет особый интерес при изготовлении бесцементных бетонов автоклавного твердения. Мнения различных исследователей о целесообразности предварительной выдержки таких бетонов вообще и о ее продолжительности имеют противоречивый характер. В связи с этим нами были проведены эксперименты по выявлению той оптимальной предварительной выдержки, после которой бетон данного состава способен противостоять температурным воздействиям различной интенсивности.

На рис. 23 представлены деформации керамзитобетона на известково-шлаковом вяжущем состава 15% извести-кипелки + 85% гранулированного доменного шлака (добавка гипса составляла 3%) в зависимости от предварительной выдержки бетона до запаривания при t = 15±5°С.

Прочностные показатели образцов до и после автоклавной обработки приведены в табл. 8.

Как видно из рисунка, по аналогии с цементными бетонами с увеличением предварительной выдержки и, следовательно, начальной прочности бетона максимальные деформации последнего при запаривании по режиму 2+4 + 1 ч при 9 ат уменьшаются до тех пор, пока прочность бетона до запаривания не будет равна Rкр. В данном случае Rкр = 10,5—11,5 кГ/см2 (рис. 24).

Для цементных бетонов того же состава критическая прочность при запаривании по тому же режиму была несколько ниже и составляла 7—8 кГ/см2. Такое отличие может быть объяснено тем обстоятельством, что цементные бетоны при повышенных температурах набирают необходимую прочность намного быстрее, чем бесцементные. Таким образом, величина критической прочности, соответствующая определенной скорости подъема температуры в автоклаве, изменяется в зависимости от состава и структуры бетона и в первую очередь от содержания в нем воды и защемленного воздуха, а также от вида вяжущего.

В конкретных условиях производства в зависимости от величины начальной прочности можно в соответствии с графиком на рис. 22 назначать скорость подъема температуры, при которой не будет нарушаться структура бетона. Пример назначения скорости подъема температуры в зависимости от величины начальной прочности бетона приведен на рис. 25. Сравнив графики (рис. 22 и 25), можно сделать вывод, что при начальной прочности бетона, равной 7—8 кГ/см2, можно довольно резко поднимать температуру среды до 174° С.

Необходимо иметь в виду, что этот вывод применим главным образом к немассивным изделиям толщиной до 20 см или же до 30 см, но с пустотами, в которых при тепловой обработке не возникает значительных температурных перепадов.

Как следует из табл. 8, цементный бетон перед запариванием по режиму 2+4+1 ч при 9 ат достигает Rкр за 12—13 ч предварительного выдерживания; бетону на известково-шлаковом вяжущем требуется для этого примерно в 4 раза больше времени.

Таким образом, при назначении скорости подъема температуры при запаривании бетонов на известково-шлаковом вяжущем нельзя ориентироваться на приобретение материалом критической прочности до автоклавной обработки.

Проведенные исследования и, в частности, установленная взаимосвязь между начальной критической прочностью и скоростью подъема температуры в автоклаве позволили выявить роль предварительного выдерживания и периода подъема температуры в формировании структуры бетона.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна