Повышение эффективности изготовления сборных и возведения монолитных конструкций на основе активации смесей
Эффективность любой технологии может быть оценена по тому, в какой мере эта технология обеспечивает требуемые сроки создания строительной продукции, ее стоимость и качество. Поиск рационального сочетания отдельных составляющих этой триединой задачи особенно актуален применительно к технологии бетонных работ.
Действительно, стремление сократить сроки достижения отпускной или распалубочной прочности бетона, например, за счет его тепловой обработки в процессе выдерживания в форме или опалубке неизбежно приводит к ухудшению качества и увеличению стоимости.
Известно, что наиболее активными составляющими бетонной смеси являются цемент и вода. Скорость и глубина гидратации цемента, условия твердения бетона в раннем возрасте являются решающими факторами, влияющими и на темпы набора прочности бетона, и на его качество, и, в конечном итоге, на стоимость.
О необходимости активации бетонной смеси свидетельствуют следующие факторы.
Из компонентов бетонной смеси наиболее дорогим является цемент. По стоимости исходных материалов бетонной смеси на долю цемента приходится 55–60%. При удельном расходе портландцемента М-400 350–400 кг/куб. м для наиболее распространенных бетонов классов В22.5–В25 к моменту достижения проектной прочности в реакции гидратации вступает 30–35% массы цемента. Примерно 2/3 цемента (в приведенном примере около 240 кг/куб. м) в раннем возрасте бетона используется как микрозаполнитель.
При производстве сборного железобетона в заводских условиях время на тепловую обработку бетона составляет примерно 70% общего цикла их изготовления. Наиболее распространенным способом ускорения твердения бетона на заводах сборного железобетона является пропаривание изделий. При этом для получения отпускной прочности бетона удельные энергозатраты составляют 0,5 Гкал/куб. м, или 580 кВт-час/куб. м.
В построечных условиях основным методом зимнего бетонирования и способом ускорения твердения бетона монолитных конструкций является его электротермообработка. В зависимости от способа прогрева бетона удельный расход электроэнергии составляет от 80–90 кВт-час/куб. м (прогрев стальной изолированной греющей проволокой) до 200–250 кВт-час/куб. м (электродный прогрев). При этом время достижения распалубочной прочности бетона, например, 70% от проектной прочности составляет двое-трое суток.
Важно иметь в виду, что все существующие методы ускорения твердения бетона, основанные на внесении в него тепла в процессе выдерживания приводят к ухудшению его качества. Компоненты бетонной смеси в системе «твердая фаза — жидкая фаза — газообразная фаза» при нагревании имеют различные увеличения объемов, которые находятся в соотношении 1:100:1000. За счет деструктивных явлений, обусловленных неравномерностью объемных увеличений компонентов бетонной смеси в твердеющем бетоне, увеличивается пористость, которая имеет преимущественно капиллярный характер. Это приводит к уменьшению плотности бетона, снижению его прочности примерно на 20% по отношению к прочности бетона нормального твердения, а также к повышению водопроницаемости бетона, ухудшению его морозостойкости.
Приведенный выше краткий обзор состояния технологии бетонных работ, выполненный с позиции сроков, стоимости и качества бетона как одной из разновидностей строительной продукции, позволяет сформулировать задачи активации бетонной смеси, которые сводятся к следующему:
- увеличить глубину гидратации цемента с целью его более эффективного использования в ранние сроки твердения бетона;
- увеличить интенсивность гидратации цемента с целью сокращения сроков набора отпускной или распалубочной прочности бетона;
- улучшить качество бетона;
- снизить стоимость бетона как строительной продукции.
Известны различные направления активации бетонной смеси в целом и по отдельным составляющим. Ниже приведена краткая характеристика некоторых из этих направлений и более подробно освещены вопросы активации бетонной смеси на основе предварительного разогрева смеси и ее компонентов.
Активация воды затворения возможна путем ее омагничивания, ионизации, обработки ультразвуком. Эти технологические приемы достаточно хорошо изучены, прошли проверку в опытно-промышленном производстве, но по ряду причин широкого применения не находят. Например, обработка воды затворения в электромагнитном поле не всегда обеспечивает стабильность эффекта повышения прочности бетона.
Из приемов механической активации цементного теста, цементного раствора и бетонной смеси известны вибродомол цемента, виброперемешивание смеси и др. По мнению большинства исследователей, эффект виброактивации заключается в следующем. При вибрационной обработке цементного теста, раствора, бетонной смеси происходит адсорбционное и химическое диспергирование зерен цементного клинкера, их дефлокулизация. Возрастает число коллоидных частиц в единице объема, увеличивается масса цементного геля. Вибрация способствует обнажению зерен клинкера, углублению процесса растворения, вовлечению в реакции гидратации большего количества цемента. При последующем твердении образуется большее число мелких зародышей кристаллов цементного камня. При виброактивации бетонной смеси активируется не только цемент, но и контактная поверхность цементного камня с заполнителем, повышается их адгезия. Улучшается структура цементного камня и бетона в целом. Повышается его плотность, морозостойкость, водонепроницаемость. Прочность бетона возрастает до 20% и более.
К сожалению, указанные приемы виброактивации бетонных смесей не получили широкого распространения в отечественной технологии бетона, очевидно, из-за недостаточного уровня их инженерной реализации.
Общепризнано, что для интенсификации процесса твердения бетона наиболее эффективно использовать тепло. (Вопросы использования добавок в технологии бетона, их действия на цемент, раствор, бетонную смесь и бетон, относящиеся к области материаловедения, в данной работе не рассматриваются.) Известно, что скорость химических реакций возрастает с повышением температуры. Так, скорость реакции гидратации цемента при температуре 80 0С увеличивается в 6 раз и в 10 раз при температуре 100 0С по сравнению с нормальными условиями. Однако, как уже было отмечено выше, наложение теплового поля на твердеющий бетон приводит к ухудшению его качества. Этот недостаток сведен к минимуму в методе предварительного разогрева бетонной смеси, предложенного А. С. Арбеньевым еще в 1962 г. [1].
Одна из современных разновидностей предварительного разогрева, названная ее разработчиками «термовиброобработкой бетонной смеси» (ТВОБС), представляет собой активацию смесей комплексом воздействий в установках повышенной технологичности (установки ТВОБС) [2] .
Суть ТВОБС состоит в том, что непосредственно перед укладкой в форму или опалубку бетонная смесь подвергается предварительному электроразогреву в непрерывном режиме с одновременным воздействием на нее вибрации, избыточного давления и пара. Активированная таким образом смесь укладывается, уплотняется, укрывается пленкой, теплоизоляцией и выдерживается по методу термоса или активного термоса.
Активация бетонной смеси в установках ТВОБС позволяет обеспечить:
- ускоренный набор прочности бетона: 40–50% через 8 час. и 70–100% через сутки при скорости остывания до 2 0С в час;
- минимум энергозатрат — до 50 кВт-час/куб. м;
- улучшение качества бетона по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и сцеплению с арматурой;
- исключение безвозвратной потери электродов, греющих проводов и т.п.;
- сокращение трудозатрат (0,2 час/дн./куб. м);
- повышение технологической надежности за счет сведения к минимуму негативного влияния случайных факторов (например, отключение электроэнергии) на процесс выдерживания бетона.
Технология бетонирования смесями, активированными в установках ТВОБС, прошла успешно проверку в производственных условиях. Однако по ряду причин эта энергоресурсосберегающая технология до сих пор не нашла широкого применения. Одной из причин, сдерживающих распространение технологии ТВОБС, является недостаточная обеспеченность строительных объектов электрическими мощностями. При минимуме расхода электроэнергии (50кВт-час/куб. м) для обеспечения потока бетонирования термовиброобработанными смесями, например, 30–60 куб. м в смену требуется электрическая мощность 250–500 кВт. Работа по устранению противоречия между минимумом расхода электроэнергии и большой требуемой мощностью ведется по двум направлениям.
1. Примерно 50% тепла от требуемого количества Н. А. Зубовым предложено вносить на заводе-поставщике товарного бетона. Остальное тепло вносится на строительной площадке при разогреве бетонной смеси перед ее укладкой в опалубку или в процессе термоактивного выдерживания бетона. При этом имеется в виду, что при приготовлении бетонной смеси она разогревается не до 35 0С, как в методе термоса, а до 45–50 0С. Реальность этого предложения подтверждена экспериментально. Бетонная смесь производственного состава, разогретая до 43 0С и подвергшаяся перемешиванию при закрытой горловине смесительного барабана, медленно снижая подвижность с 12 до 2 см осадки конуса, сохранила требуемую удобоукладываемость в течение 170 мин. При разогреве смеси до 50 0С и последующем перемешивании при закрытой горловине смесительного барабана снижение подвижности до 2 см наступало через 110 мин. Таким образом, простым технологическим приемом, а именно предварительным разогревом на заводе и последующим перемешиванием разогретой смеси при закрытой горловине автобетоносмесителя, можно в значительной мере (примерно в два раза) уменьшить электрическую мощность, требуемую для разогрева на строительной площадке.
2. Примерно 80% тепла требуемого количества А. Л. Колчеданцев предложил вносить в бетонную смесь на заводе. Этот вариант предусматривает раздельное приготовление бетонной смеси. На заводе разогревается бесцементная смесь до температуры 70–80 0С. Для обеспечения ее связности и электропроводности в бесцементную смесь вводятся соответствующие добавки. Разогретая бесцементная смесь доставляется на строительную площадку, где в зоне монтажного крана располагается упрощенный вариант мобильного бетоносмесительного узла (без склада и дозировочного оборудования заполнителей). На этом БСУ в разогретую смесь вводится активированный цемент. Разогретая бетонная смесь проектного состава в обычных бункерах монтажным краном подается в зону бетонирования, укладывается, уплотняется, укрывается и выдерживается по методу термоса (или активного термоса). Реальность этого предложения также подтверждена экспериментально. Путем введения в бесцементную смесь электропроводных и водоудерживающих добавок обеспечивается ее удельное сопротивление в пределах 3–9 Ом-м, что позволяет осуществлять электроразогрев смеси. Предлагаемая технология приготовления и разогрева бетонной смеси исключает необходимость существенного увеличения электрической мощности на строительной площадке. При этом сохраняются достоинства использования активированных смесей.
Литература:
1. Арбеньев А. С. От электротермоса к синэнергобетонированию. — Владимир: ВТУ, 1996. – 336 с.
2. Колчеданцев Л. М. Интенсифицированная технология бетонных работ на основе термовиброобработки смесей. — СПб.: СПбГАСУ, 2001. – 230 с.
| Автор: Л. М. Колчеданцев, Н. А. Зубов, А. Л. Колчеданцев Дата: 16.08.2007 Журнал Стройпрофиль 5-07 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |