16 Июль 2016

 

Л.Д. ШАХОВА, канд. техн. наук, Е.С. ЧЕРНОСИТОВА, инженер,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г Шухова

 

Качество пенобетонных изделий зависит от множества факторов, одним из основных является правильно подобранный режим твердения пенобетонных изделий. Вопросу твердения пенобетонов в настоящее время не уделяется должного внимания. Как правило, на производстве для увеличения оборачиваемости форм выбирают ускоренный режим. Многие производители пенобетонов решают этот вопрос самостоятельно путем ввода ускоряющих добавок или путем пропаривания пенобетонов, опираясь на опыт тепловлажностной обработки тяжелых бетонов.

 

Исследования, проведенные в 50-х годах и подробно описанные в технической литературе [12], свидетельствуют, что не все закономерности, установленные для пропаривания тяжелых бетонов, применимы для легких бетонов со средней плотностью ниже 1000 кг/м3. Авторы указывают также, что плотность изделий очень сильно, но не однозначно влияет на прочность легких и ячеистых бетонов.

 

Нормальный ход процесса формирования физической структуры твердения пенобетона, содержащего от 50 до 80% пор по объему, могут нарушить следующие факторы: давление воздуха в порах; миграция воды под влиянием температурного градиента, приводящая к деструктивным явлениям и влажностной усадке массива; различие коэффициентов термического расширения компонентов пенобетонной смеси; набухание материала при конденсации пара на его поверхности.

 

Рассмотрим кратко общие представления о тепловой обработке пенобетонов и процессах гидратации цемента.

 

Структурообразование в твердеющем бетоне при нагреве является комплексным противоречивым процессом, состоящим из конструктивных и деструктивных процессов. Определяющими деструктивными процессами являются: тепло- и массообмен во влажных пористо-капиллярных телах и напряжения, вызываемые температурным расширением материала.

 

В раннем возрасте при нагреве твердеющего пенобетона возникают миграционные потоки воды по направлению теплового потока. Эти потоки под избыточным давлением, возникающим в порах материала, вызывают нарушение структуры твердеющего пенобетона.

 

Аналогично тепловой обработке тяжелых бетонов для пенобетонов можно выделить четыре основных периода.

 

Первый период — пенобетонная смесь до прогрева. Температура воздуха в пузырьках одинаковая, равная температуре смеси. Избыточное давление воздуха в пузырьках зависит от размера пузырьков, их количества и поверхностного натяжения пенообразователя.

 

Второй период — нагрев изделий до температуры изотермического прогрева. В прогреваемой конструкции возникает температурный градиент. Температура воздуха в пузырьках в поверхностном слое выше, чем в пузырьках, находящихся в центральной части массива. При прочих равных условиях избыточное давление на стенки межпоровых перегородок направлено от поверхности к центру. Величина давления определяется величиной температурного градиента, размером конструкции по направлению прогрева, размером воздушных пузырьков и их количеством. Чем ниже проектная плотность пенобетона, тем ниже его теплопроводность, тем выше температурный градиент.

 

Третий период — выравнивание температуры по сечению конструкции и изотермический прогрев. Температура и давление воздуха в пузырьках по сечению массива медленно выравниваются, но давление в порах больше первоначальных. В этот момент в верхних слоях может происходить прорыв воздуха из пор и образование открытых пор. Стойкость каркаса смеси, противостоящая прорыву воздушных пузырьков, зависит от прочности структуры цементного камня в межпоровых перегородках, достигнутой до нагрева.

 

Четвертый период — охлаждение изделий до температуры окружающей среды. В этот период температурный градиент меняет свое направление — от центра к поверхности. Идет быстрое снижение давления в верхних слоях изделий.

 

Изменение температурного градиента сопровождается массопереносом. Влажностный режим в прогреваемой конструкции значительно влияет на величину и направление потенциала переноса жидкой фазы. Совпадение направлений температурного и влажностного градиентов вызывает рост интенсивности потока мигрирующей влаги.

 

В первый период прогрева при наличии температурного градиента по сечению образца влага мигрирует по направлению теплового потока: от поверхности к центру. При этом пар конденсируется на открытой поверхности изделий и переувлажняет ее. Конденсация пара происходит и внутри пор материала. Обводнение пенобетона сопровождается увеличением его массы на 2—4% и объема. Увеличение объема, вызываемое осмотическими силами набухания цементного геля, происходит очень быстро: уже через 1—5 мин оно достигает максимума.

 

При набухании происходит нарушение структуры. Это набухание может быть тем меньше, чем больше предварительная выдержка пенобетона перед тепловлажностной обработкой. Конденсация пара на поверхности будет происходить до тех пор, пока температура поверхности изделий не станет больше температуры точки росы для окружающей паровоздушной смеси.

 

Влияние защиты от увлажнения конденсатом на интенсивность деструкции изучалось в работе [3]. Как указывают авторы, укрытие образцов полиэтиленовой пленкой незначительно изменяло температурный режим в них, но резко снижало внутренние избыточные давления в первый период прогрева, что повысило прочность образцов на 10—23%.

 

К концу прогрева при выравнивании температуры по сечению воздействие давления на жидкость меняется и жидкость мигрирует от центра к поверхности. В этот период более высокая температура пенобетона по сравнению с температурой среды вызывает испарение воды до 30% от общего количества, ухудшение структуры за счет влажностной усадки, особенно по ребрам и углам блоков, снижение физико-механических свойств бетона.

 

При тепловой обработке в результате температурного расширения бетон увеличивается в объеме. При этом каждый материал, входящий в состав бетона, имеет свой коэффициент температурного расширения. В температурном интервале от 0 до 60оС коэффициент температурного расширения кварца, по данным Джонсона и Парсона, составляет 12-10-6 К-1, что очень близко по значению к цементному камню, поэтому в пенобетонах температурное расширение твердых компонентов не должно приводить к созданию напряжений. По данным З. Рейнсдорфа [2], коэффициенты объемного расширения при температуре от 60 до 80оС (в 10-6 м33 оС) равны:

  • влажный воздух 4000—9000;
  • вода 520—640;
  • затвердевший цементный камень 40—60.

 

Температурное расширение воды не должно вызывать значительных деструкций цементных перегородок, поскольку абсолютный прирост объема жидкости при 40—70оС составляет 0,66—0,75% и эта избыточная вода свободно может размещаться в воздушных порах материала.

 

В начальный период процесса нагревания свежесформованного пенобетона заключенный в его порах воздух расширяется по закону Гей-Люссака в 1,2—1,3 раза и оказывает давление на стенки пор. Величина давления расширяющегося в порах воздуха при 40—70оС и влажности пенобетонной смеси 30—40% составляет около 0,02 МПа, т. е. соизмерима с микронапряжениями в структуре пенобетона.

 

Из технологии пропаривания тяжелых бетонов известно, что именно в период разогрева, а также охлаждения температурное поле в изделиях отличается наибольшей неравномерностью, значительной разницей температур по сечениям.

 

В [1] приведены результаты распределения температуры при пропаривании блоков размером 2390x1390x350 мм, изготовленных из керамзитобетона средней плотностью 900—950 кг/м3, сравнимой с плотностью пенобетонных изделий.

 

Результаты этих исследований приведены на рис. 1, из которого видно, что прогрев блока из керамзитобетона идет медленно и в центре его температура достигает температуры в камере только через 6 ч пребывания в ней. В этих опытах после 10 ч пропаривания блоки вынимали из камеры и оставляли в помещении цеха при температуре окружающего воздуха 10—19oС. При этом было отмечено, что температура в центре блока, несмотря на сравнительно низкую температуру помещения, продолжала повышаться и доходила до 88оС. Температура порядка 80оС в центре блока держалась около 6 ч, затем медленно понижалась примерно на 2—3оС в час.

sm_05_05-2

Рис. 1. Распределение температур в блоке керамзитобетона средней плотностью 900 кг/м3 при пропаривании. Температура 1 — среды в камере, 2, 3, 4 — нижней поверхности, в центре, верхней поверхности блока соответственно

 

Это можно объяснить следующими явлениями. Процесс нагрева изделий из цементного бетона обязательно сопровождается тепловыделением цемента при его гидратации. В процессе пропаривания после 3 ч начался активный автокаталитический процесс гидратации цемента, в результате которого выделившееся тепло пошло на разогрев массива блока. Даже после окончания процесса подвода тепла к образцу за счет низкой теплопроводности самого материала процесс остывания длился продолжительное время. Процесс тепловыделения зависит от температуры твердеющего бетона, минералогического состава и тонкости помола самого цемента, удельного его расхода на 1 м3.

 

Быстрый процесс нагрева опасен для конструкционно-теплоизоляционного пенобетона со средней плотностью ниже 900 кг/м3, когда цемент еще не успел сформировать достаточно прочный камень. Наибольшие изменения в структуре возникают, если нагрев начинается сразу же после окончания формирования изделия, когда температурные деформации ничем не ограничены. При этом чем быстрее растет температура в массиве бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличивается остаточная деформация. В течение первого часа необходимо, чтобы скорость нагрева массива не превышала 5—6оС/ч. Медленный разогрев пенобетона позволит избежать резкого нарастания деструктивных напряжений, возникающих в результате давления воздуха в порах. В дальнейшем скорость нагрева может быть повышена.

 

Большое влияние на процессы структурообразования в пенобетоне оказывает температура и время изотермической выдержки. Длительность изотермической выдержки изделий определяется скоростью их упрочнения и ограничивается временем, за которое изделия приобретают минимальную распалубочную прочность. Это время зависит от температуры, состава пенобетонной смеси, а также от плотности свежеуложенного массива.

 

Как указывает [1], пористые бетоны очень медленно нагреваются за счет своей низкой теплопроводности, но и медленно отдают тепло, поэтому авторами предлагается для ТВО пористых бетонов при достижении температуры изотермической выдержки просто отключать подачу тепла, а твердение будет идти за счет аккумулированного тепла в теле бетона и изотермического тепла процесса гидратации.

 

Нами изучалось влияние режима твердения на прочностные показатели пенобетона со средней плотностью 300 кг/м3, изготовленного из портландцемента ПЦ550-Д0 без заполнителя. Из переменных факторов исследовались длительность выдержки до пропаривания и время изотермической выдержки. Температура в тепловой камере была 80оС, образцы в камере находились в металлической форме. Режимы ТВО представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Номер режима

Режим тепловлажностной обработки

Предварительная выдержка, ч

Подъем температуры, ч

Экзотермическая выдержка, ч

1

2

3

1

3

0

1

3

4

5

6

3

3

0

1

3

7

8

9

24

3

0

1

3

10

Твердение при температуре 20±2оС и относительной влажности >90%

 

Результаты по влиянию режима тепловой обработки на прочность пенобетонов представлены на рис. 2.

sm_05_05-3

Рис. 2. Влияние режима ТВО на прочность пенобетона

 

Как показывают результаты, самую низкую прочность имели образцы, которые после часовой выдержки в нормальных условиях были подвергнуты тепловой обработке. Эта прочность составляла всего 17% от максимальной прочности, достигнутой образцами при твердении по режиму 7.

 

Следует отметить, что образцы, пропаренные по режимам 1—3, имели сильные деформативные изменения из-за низкой первоначальной прочности цементного камня в меж-поровых перегородках. Поверхность образцов была вспученной, на поверхности были видны трещины. Вероятно, разрыхление структуры привело к быстрому высыханию образцов из счет повышенного тепломассообмена через возникшие трещины в межпоровых перегородках, что привело к понижению прочности.

 

Таким образом, результаты показывают, что наилучшим режимом ТВО для пенобетонов является доведение температуры в камере до 80—90оС без экзотермической выдержки с предварительной выдержкой после заливки в естественных условиях в течение 24 ч (режим 7-0). Режимы 8 и 9 не давали значительного повышения прочности с увеличением времени экзотермической выдержки, а в возрасте 28 сут прочность образцов не достигала прочности образцов, подвергнутых обработке по режиму 7. Вероятно, длительная выдержка при высокой температуре ослабляла прочность межпоровых перегородок из-за интенсивного тепломассообмена. Суточная прочность образцов, твердеющих в нормальных условиях без тепловой обработки, была незначительно ниже, чем после ТВО, но в 28-суточном возрасте она превосходила прочность образцов после ТВО.

 

Особое внимание необходимо уделять режиму охлаждения изделий после тепловой камеры. Именно при охлаждении возникают наибольшие температурные градиенты, приводящие к заметным деструктивным изменениям. В период остывания изделий температурные градиенты в теле изделий вызывают усадочные напряжения, связанные как с процессом высыхания (влажностная усадка), так и с температурной усадкой. Все это обусловливает образование поверхностных или сквозных трещин, т. е. необратимых макродефектов. Наоборот, микроструктура пенобетона в этом случае должна страдать значительно меньше, чем в начальный период тепловой обработки.

 

Процессы деструкции в твердеющем пенобетоне при нагреве являются одной из причин снижения качества пропаренных изделий. Таким образом, усадочные явления и высокая пористость пенобетона оказываются решающими факторами, вызывающими нарушение структуры цементного камня при пропаривании.

 

Известно, что структура цементного камня, сложившаяся при схватывании пенобетона, предопределяет при прочих равных условиях физикомеханические свойства изделий. Но как установили авторы [7], на свойства цементного камня после тепловой обработки влияет не столько фазовый состав продуктов гидратации, сколько физические изменения в структуре, которые вызываются тепловым расширением составляющих бетона.

 

Процесс твердения пенобетона на портландцементах определяется главным образом следующими факторами:

  • скоростью и глубиной гидратации цемента;
  • составом гидратных новообразований;
  • структурой и плотностью пенобетона.

 

Скорость и глубина гидратации цемента в соответствии с положениями физической химии зависит от минералогического состава цемента, т. е. массовой доли содержания основных клинкерных минералов и количества гипса; тонкости помола; содержания технологических добавок (ускорителей, пластификаторов); водоцементного отношения и температуры среды.

 

Скорость процесса гидратации отдельных клинкерных минералов в нормальных условиях и при повышенных температурах несколько отличается. По набору прочности при твердении в нормальных условиях в возрасте 28 сут минералы образуют следующий ряд: C3S>C4AF>C3A>C2S. При повышенных температурах самую высокую абсолютную прочность имеют образцы из минерала C4AF, затем из C3S. Образцы из C3A практически не имеют никакой прочности. Это связано с тем, что при температурах выше 25оС трехкальциевый алюминат при твердении образует кубический шестиводный гидроалюминат кальция 3СаОАl20320, обладающий незначительной прочностью. Относительная прочность образцов из основного клинкерного минерала трехкальциевого силиката C3S после пропаривания составляет всего 45%, т. е. активность его используется незначительно. В зависимости от содержания в клинкере трехкальциевого алюмината в соответствии с ГОСТ 10178—85 «Портландцемент и шлакопортландцемент» все цементы делят на три группы по активности пропаривания: 1-я группа — низкоалюминатные; 2-я — среднеалюминатные; 3-я — высокоалюминатные. Скорость твердения цементов 1-й группы максимальна, цементов 3-й группы — минимальна. По содержанию двух клинкерных минералов алита и трехкальциевого алюмината авторы [4] делят цементы по эффективности влияния ПАВ на свойства растворов и тяжелых бетонов: 1-я группа — С3А<6 мас. %, C3S>50 мас. %; 2-я группа — С3А 7—10 мас. %, C3S>40 мас. %; 3-я группа — С3А>10 мас. % , C3S<40 мас. %.

 

Как показывают наши исследования, такой же принцип деления по эффективности применим для цементов в технологии пенобетонов, так как трехкальциевый алюминат на своей поверхности хорошо адсорбирует молекулы пенообразователя, что снижает эффективность поризации цементного раствора [5]. Наиболее эффективными для изготовления пенобетонов являются цементы 1-й группы с высоким содержанием алита и низким содержанием трехкальциевого алюмината, что обеспечивает достаточно быстрые сроки схватывания и интенсивное тепловыделение при гидратации при правильно выбранном тепловлажностном режиме схватывания и твердения. Наилучшие результаты при изготовлении теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью ниже 500 кг/м3 можно получить при использовании быстротвердеющих и высокопрочных цементов с содержанием алита 60—65 мас. % и тонкостью помола до 400 м2/кг.

 

В процессе гидратации цемент выделяет значительное количество тепла именно в момент схватывания. Кинетика тепловыделения основных клинкерных минералов приведена в табл. 2 [6].

 

Таблица 2

Клинкерные минералы

Количество тепла, кДж/кг минерала, выделяемого при твердении за время, сут

3

7

28

90

180

Трехкальциевый алюминат 3СаО· Al2O3

591

662

838

930

1026

Трехкальциевый силикат 3СаО· SiO2 (алит)

406

461

486

520

565

Четырехкальциевый алюмоферрит 4CaOAl2O3Fe2O3

176

251

377

415

Дикальциевый силикат 2СаО· SiO2 (белит)

63

105

168

197

230

 

Технологические добавки могут как ускорять процесс схватывания и твердения, так и замедлять его. Наиболее известный ускоритель твердения — хлористый кальций ускоряет процесс тепловыделения цемента в два раза в тяжелых бетонах, твердеющих при нормальных температурах. В образцах, предварительно разогретых до 50 и 80оС, добавка СаСl2 не оказала никакого влияния на величину и время достижения максимальной температуры экзотермии [1]. Как показали наши исследования, введение пенообразователей несколько сдерживают процесс тепловыделения цемента. Так, тепловыделение поризованного цементного камня на синтетическом пенообразователе снизило интенсивность тепловыделения в первоначальный срок на 14—20%.

 

Влияние тонины помола цемента на процесс тепловыделения исследовалось в ряде работ [2, 7, 8]. Было установлено, что теплота гидратации цемента за первые 10 ч увеличивалась более чем в 2 раза при повышении степени дисперсности цементного порошка с 350 до 600 м2/кг. То есть за первые трое суток твердения при нормальных условиях удельное тепловыделение увеличивается примерно на 4,2 кДж/кг цемента при увеличении удельной поверхности на 1,8 м2/кг. Товарные портланд-цементы выпускают с удельной поверхностью 280—320 м2/кг. Таким образом, повышение удельной поверхности с 280 до 320 м2/кг может повысить тепловыделение на 90 кДж/кг цемента.

 

Наиболее полно гидратация протекает у цементного теста с высоким водоцементным отношением, так как вода, удерживаемая в пенных пленках, вода заполнения пор геля и сорбированная вода не участвуют в процессе гидратации. Влияние водоцементного отношения на примере крупнопористого бетона показано на рис. 3 [1].

sm_05_05-4

Рис. 3. Зависимость прочности крупнопористого бетона от В/Ц и режима твердения: 1 — при нормальном твердении, 2 — после пропаривания

 

Как видно, крупнопористые бетоны с увеличением водоцементного отношения в процессе пропаривания увеличивают свою прочность. Это связано с тем, что в процессе твердения при повышении температуры особенно для поризованных бетонов происходит сильное высыхание образцов, вплоть до полного обезвоживания, что может в дальнейшем прекратить процесс твердения. Обычно пенобетонные смеси в зависимости от проектной средней плотности имеют В/Ц = 0,38—0,6. Такое количество воды в смеси необходимо для получения пеноцементной массы определенной подвижности, так как часть воды уходит на смачивание цементных и песчаных частиц, а часть воды удерживается пенными пленками. Чем ниже средняя плотность пенобетона, тем больше воды удерживается пенной структурой.

 

Указанные особенности процесса ускорения твердения пенобетонов необходимо учитывать при выпуске конструкционных пенобетонов со средней плотностью выше 800—900 кг/м3. При выпуске пенобетонов со средней плотностью ниже 600 кг/м3 не рекомендуется прибегать к тепловой обработке изделий. Как правило, пенобетоны такой низкой плотности изготавливают без применения заполнителя на высокоактивных быстротвердеющих цементах. Расход цемента на 1 м3 пенобетона составляет в зависимости от плотности до 520 кг/м3 при В/Ц = 0,4. При таком высоком содержании цемента тепловыделение может достигать 167—210 кДж на 1 м3 бетона, что равноценно повышению температуры пенобетона на 70—90оС.

 

Как показывает практика выпуска пенобетонов со средней плотностью 400—500 кг/м3 на быстротвердеющем цементе ОАО «Оскол-цемент», при твердении изделий температура в центре блоков с размерами 1300x1300x600 мм повышалась до 70—90оС. Цемент характеризовался содержанием 62 мас. % алита и 6,4 мас. % трехкальциевого алюмината. Повышение температуры массивных пенобетонных блоков до таких значений отмечалось после выдерживания их в форме 8—12 ч даже без тепловой обработки.

 

Как правило, при изготовлении пенобетонов это тепловыделение при гидратации цемента не используется рационально. Обычно изделия из пенобетона твердеют в металлических формах в условиях неотапливаемого цеха с открытой поверхностью. Стенки формы за счет высокой теплопроводности быстро отводят тепло от прилегающих слоев пенобетона. Для сравнения коэффициент теплопроводности металла при температуре 80оС равен 57 Вт/(моС), коэффициент теплопроводности пенобетона средней плотности 400 кг/м3 — 0,1 Вт/(моС). Кроме того, большая разница температур в цехе и в массиве (за счет саморазогрева) ведет к быстрому высыханию изделий, особенно с открытых поверхностей. Изделия могут потерять в зависимости от плотности от 30 до 40 % всей воды. Миграция влаги может привести к возникновению направленной капиллярной пористости, а высыхание — к микронапряжениям (влажностная усадка). Особенно это заметно, когда пенобетонные блоки после распалубливания находятся в цехе.

 

Наилучшие условия для твердения пенобетонов низкой плотности создаются в камерах термосного типа. При этом в первоначальный период цемент в межпоровых перегородках будет набирать прочность, необходимую для противодействия расширяющегося воздуха. Тепловыделение цемента начинается после 6—8 ч твердения. Выделяющегося при гидратации цемента тепла вполне хватит для саморазогрева массива без дополнительного подвода тепла извне. Кроме того, за счет своей низкой теплопроводности материал может долго сохранять тепло внутри массива.

 

Время выдержки в тепловой камере должно подбираться в зависимости от проектной средней плотности и вида используемого цемента. После выдержки в тепловой камере пенобетон все еще будет нуждаться в правильном уходе. Быстрое высыхание открытых поверхностей, ребер и углов блоков ведет к образованию микротрещин, в дальнейшем к их откалыванию. Опасно хранить блоки в проветриваемых помещениях, на открытом складе, при попадании прямых солнечных лучей.

 

Негативные влияния указанных явлений можно снизить, если сразу после укладки пенобетонной смеси в форму ее укрыть полиэтиленовой пленкой, которая предотвратит высыхание изделий с поверхности, конденсацию влаги из паровоздушной смеси, ускорит достижение точки росы, снизит миграционные процессы и потери тепла из пенобетонной смеси.

 

Для получения качественных изделий при назначении режима твердения пенобетонов каждому предприятию следует учитывать данные рекомендации и опытным путем подбирать режимы с учетом используемого сырья, проектной средней плотности, климатических условий и возможностей технологических переделов.

 

Список литературы

  1. МироновА.С., МалининаЛА. Ускорение твердения бетона. Пропаривание бетона в заводских условиях. М.: Гостройиздат. 1961. 224 с.
  2. Труды Международной конференции по проблемам ускорения твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций (РИЛЕМ). М.: Стройиздат. 1968. 400 с.
  3. Горяйнов К.Э., Векслер Е.С. Деструкция в твердеющем бетоне раннего возраста при нагреве и способы уменьшения ее интенсивности / Тр. Междунар. конф. по проблемам ускорения твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций (РИЛЕМ). М.: Стройиздат. 1968. С. 56-63.
  4. Феднер Л.А., Никифоров Ю.В. Роль цемента в формировании свойств бетонных смесей и бетонов // Цемент и его применение. 2001. № 6. С. 29-31.
  5. Шахова Л.Д., Рахимбаев Ш.М., ЧерноситоваЕ.С., Самборский С.А. Роль цемента в технологии пенобетонов // Строит. материалы. 2004. № 6.
  6. Справочник по химии цемента / Под ред. Б.В. Волконского и Л.Г. Судакаса. Л.: Стройиздат. 1980. С. 181.
  7. Кравченко И.В., Власова М.Т. О структуре цементного камня при ускоренном пропаривании // Тр. НИИЦемента. 1960. № 8.
  8. Шейкин А.Е. Специальные цементы для гидротехнического бетона / В сб. тр. МИИЖД. М.: 1964. Вып. 191. С. 85-109.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»