Технология производства сухих смесей. Термо- и механо-химическая активация их компонентов. Модифицированные бетоны
Таким образом, для управления технологией получения сухих смесей представляется предпочтительным раздельный способ внесения добавок в смеситель, а выбор порядка введения добавок в процессе перемешивания зависит от их агрегатного состояния, физико-химических свойств компонентов в составе добавки и от интенсивности внешнего воздействия на процесс смешивания.
Учитывая вышеизложенное, нами изучалось влияние известных отечественных добавок на эффективность помола портландцементов и кварцевых наполнителей при одновременном улучшении технологических и технических свойств бетонов.
Исследование эффективности добавок суперпластификатора С-3 и модифицированного пластификатора ЛСТМ-2, размолотых совместно с вяжущим на основе портландцемента (Подольского завода) и кварцевого песка, проводили на бетоне с применением кварцевого песка Сычевского карьера с Мк = 2,7 и гранитного щебня фракции 5–20 мм. Оптимальное значение добавок определяли при заданном значении показателя подвижности (ОК=5–6 см) бетонной смеси и фиксированном значении В/Ц, принятом в составе без добавки. В физическом смысле механизм указанного приема заключался в погашении эффекта пластификации бетонной смеси благодаря увеличению доли заполнителей (их удельной поверхности) при неизменном соотношении песка и щебня в составе бетонной смеси. Из подобранных составов формовались образцы размером 10х10х10 см и испытывались на прочность.
Результаты экспериментальных данных для бетона на молотом совместно с добавками С-3 и ЛСТМ-2 кварцсодержащем в количестве 50% портландцементе (Подольского завода) с удельной поверхностью 5 200 кв. см/г приведены в таблице 1.
Проведенные эксперименты показали, что оптимальные количества соответствуют для ЛСТМ-2 — 0,15% и С-3 — 0,6% от массы вяжущего. Расход цемента уменьшился для указанных случаев соответственно на 25–30% и 100–110 кг/куб. м. В составах с меньшим расходом цемента дозировка для ЛСТМ-2 понизилась до 0,1, а с С-3 повысилась до 0,8%. Анализ других данных свидетельствует о повышенной «присадочности» суперпластификатора на цементных частицах, а с добавкой ЛСТМ-2 еще и на частицах песка.
Весьма важным направлением в создании сухих смесей является использование «эффекта мелких порошков» для раздвижки зерен цемента, способствующего заполнению образовавшегося пространства продуктами гидратных новообразований цемента. Поэтому применение порошкообразных металл-кварцсодержащих промышленных отходов, в том числе модифицированных химическими добавками в сочетании с портландцементом и другими видами вяжущих, является фундаментальной основой для производства строительных материалов широкого назначения.
Многие производители считают, что кварцсодержащие цементы и сухие строительные смеси на их основе следует изготавливать при низкочастотных ударных или высокочастотных кавитационных режимах воздействия. В первом случае это шаровые мельницы, во втором — смесители с частотой вращения рабочего органа 50 Гц и давлением сжатого воздуха 6 атм.
Вопросы экономии вяжущих в бетонах различных видов обусловливали в последние годы применение укладки бетона в определенной последовательности. Наибольшее распространение при этом, как в технологии бетона, так и в технологии полимербетона, получили способы, по которым отдельно укладываются щебень и приготовленная растворная смесь. По очередности укладки компонентов эти способы могут быть разделены на две группы: основанные на втапливании крупного заполнителя в уложенную растворную смесь, так называемый «камнебетон», и на предварительной укладке крупного заполнителя с последующим заполнением перового пространства раствором.
Втапливание заполнителя в уложенную растворную смесь эффективно используется при изготовлении легких и мелкозернистых бетонов. Крупногабаритные изделия уплотняют по два слоя вибрированием или роликовым прокатом, мелкогабаритные изделия формуют на всю высоту и уплотняют весь массив вибропрессованием.
Чаще используется технология, когда в первую очередь укладывают крупный заполнитель.
Существуют и способы заполнения порового пространства в уложенном крупном заполнителе: инъекционный, вибронагнетательный, способ виброцементации и др. Все эти приемы именуются «каркасной» технологиией, по которой на первом этапе формируется жесткий щебеночный каркас из зерен крупного заполнителя, а пустоты заполняют раствором. Эффективной эта технология является для изготовления легких бетонов, так как в этом случае не требуется пригруз при виброуплотнении и возможно снижение соотношения вода/цемент (В/Ц) за счет меньшего впитывания воды пористым заполнителем.
Другой способ получения каркаса заключается в начальном перемешивании крупного заполнителя с небольшим (0,1–1% от массы заполнителя) количеством связующего. Затем полученную массу укладывают в форму или на подготовленное основание и оставляют на некоторое время до схватывания вяжущего, затем пустоты в образовавшемся каркасе заполняют раствором. В качестве вяжущего для каркаса и основного вяжущего в бетоне могут быть использованы цемент, сера, битум, жидкое стекло, полимерные вяжущие, полимерцементные и т. д., причем они могут отличаться для каркаса и раствора.
Возможен также способ, когда крупный заполнитель перемешивают с большим количеством раствора (мастики, вяжущего), потом обрабатывают на вибросите. При этом излишек раствора удаляется и идет на повторное использование, а на щебне остается тонкая пленка вяжущего. Исследования показали, что по сравнению с обычным способом формования расход связующего может быть снижен на от 10–15% до 45–50%, при увеличении кратковременной и длительной прочности в 1,1–1,3 раза, ударной прочности — в 1,5–3,5 раза, снижении усадки — в 5–7 раз, температурных деформаций — в 2,2 раза. Повышение прочности объясняется, в частности, тем, что сами каркасы пространственно распределяют возникающие напряжения так, что усадочные напряжения концентрируются в относительно малых объемах; кроме того, каркас перераспределяет возникающие трещины от внешней нагрузки и препятствует их росту.
Одним из эффективных направлений применения этой технологии является изготовление легких теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных бетонов, использующихся при строительстве производственных зданий, например, при сооружении теплых полов. Технология изготовления теплых полов зданий животноводческих включает: приготовление каркаса путем перемешивания легкого заполнителя с раствором, укладку каркаса, стекание излишков вяжущего с заполнителя при вибрировании и образование нижнего плотного слоя из раствора, заполнение пустот отвержденного каркаса полимерраствором. Полимерраствор заполняет пустоты не на всю высоту. Таким образом формируется трехслойная конструкция как с высокими теплотехническими (теплопроводность в 1,5 раза ниже, чем у сплошного пола), так и прочностными характеристиками. Верхний полимерный слой обеспечивает необходимую коррозионную стойкость такого пола. Трехлетняя эксплуатация подобных полов в зданиях животноводческих хозяйств в Мордовии показала их высокую надежность и эффективность. При изготовлении наружных панелей также образуется трехслойная конструкция: вначале приготовляется каркас на дешевых цементных или полимерцементных вящущих, затем с обеих сторон каркас частично пропитывается полимерраствором. Полимерраствор обеспечивает необходимую прочность, химическую стойкость и декоративные качества. По сравнению с керамзитобетонными панелями данная конструкция имеет коэффициент теплопроводности в 1,5–2 раза выше при стоимости, которая в 1,2–1,3 раза меньше. Поскольку сами каркасы имеют достаточно высокую прочность (до 6,3 МПа на гранитном щебне и до 3 МПа на керамзитовом гравии), то целесообразно также изготавливать теплоизоляционные материалы, пропитывая каркас с обеих сторон только на 1–3 см, что позволяет значительно снизить материалоемкость и массу.
Недостатком каркасной технологии является ограниченная толщина изделия, как правило, не более 10 см, а при увеличении — повышенный расход связующего и не полностью вытесняющийся воздух, неизбежно образующий полости, не заполненные раствором, особенно, под зернами заполнителя и др. Поэтому наиболее эффективная область применения указанной технологии — многослойные конструкции, где наличие большого воздушного слоя выгодно или не представляет особой важности. В настоящее время каркасная технология также широко используется при устройстве полов промышленных, общественных и животноводческих зданий и при ремонте монолитных участков полов и дорог.
Метод «сухого бетонирования» заключается в том, что сухие заполнители (щебень, песок) перемешиваются в определенной пропорции с цементом, полученная сухая смесь укладывается и виброуплотняется в форме, затем пропитывается водой. Способ позволяет увеличить прочность и плотность бетона до 100 МПа и выше при обычных материалах, морозостойкость до 1 000 циклов, снизить проницаемость и технологические затраты.
Подбор состава сухой смеси для сухого бетонирования имеет свои особенности. Основным критерием является максимальная плотность после уплотнения, поэтому составы существенно отличаются по гранулометрическому составу от составов обычной смеси. Как правило, большую плотность упаковки имеют составы сухих смесей с более высоким содержанием мелкодисперсных фракций.
При сухом бетонировании увеличение удельной поверхности цемента приводит к увеличению прочности и способствует снижению пористости сухой смеси, т. е. уменьшает водосодержание бетона. Так, если при обычном способе бетонирования увеличение удельной поверхности цемента с 6 800 до 9 500 кв. см/г привело к снижению прочности с 58,1 до 38,6 МПа, то при «сухом бетонировании» прочность увеличилась с 62 до 72 МПа. При увеличении дисперсности на более низком уровне (с 4 000 до 6 000–6 500 кв. см/г) возросла плотность упаковки сухой смеси и лишь при удельной поверхности более 7 200 кв. см/г плотность стала снижаться.
Основным способом уплотнения сухой смеси является вибрация. Минимальную пустотность сыпучие материалы имеют при ускорениях вибрации, близких к ускорению свободного падения. При увеличении ускорения выше оптимального начинается разрыхление смеси и, как следствие, резкое снижение уплотняемости смеси. Частота колебаний оказывает существенное влияние в области, близкой к резонансным колебаниям слоя порошка. Увеличение частоты колебаний приводит к резкому снижению внутреннего коэффициента трения, поэтому при увеличении частоты амплитуду надо уменьшать в большей степени. Степень уплотнения, как правило, мало меняется с преобразованием параметров вибрации (частота и амплитуда) при неизменной интенсивности вибраций или ускорения. Более низкие частоты вибрации и соответственно более высокие амплитуды предпочтительнее, поскольку позволяют достичь максимальной степени уплотнения за короткий промежуток времени, и чем меньше размеры уплотняемых частиц, тем больше интенсивность виброуплотнеиия. При этом ускорения вибрации должны быть в 3–4 раза выше, а частота — более высокая (до 100–250 Гц). При стандартной вибрации для полифракционной смеси необходимо использовать пригруз, снижающий расслаиваемость сухой смеси и повышающий плотность. Оптимальная величина пригруза для мелкозернистых смесей — 0,01–0,025 МПа, при использовании щебня 5–20 мм давление увеличивается до 0,02–0,075 МПа.
Несколько более высокие значения плотности достигаются при ударном способе уплотнения и виброштамповании. Виброштампование целесообразно осуществлять через 0,5–1,5 сек. после прекращения вертикальной вибрации. Формование сухих смесей на виброштампующей установке мелкозернистых бетонов повышает плотность сухой смеси до 86% и прочность на 27%.
Заключительным этапом формования при изготовлении цементного бетона является пропитка сухой смеси жидкостью (например, водой). Вода может пропитывать смесь сверху, снизу, сбоку или через специальные иньекторы, которые вставляют в тело бетона. Схема пропитки зависит от конкретных условий формования. При проведении монолитных работ пропитка ведется сверху; при заводском изготовлении — чаще снизу, так как при этом воздух постепенно вытесняется водой, и вероятность защемления воздуха и образования воздушных пор минимальна. Пропитка через боковые отверстия и инъекционным способом эффективна при достаточно большой толщине изделия. Наиболее простой является пропитка снизу, когда вода под действием капиллярных сил или под действием небольшого избыточного давления (до 0,015 МПа) постепенно заполняет весь объем, двигаясь примерно горизонтальным фронтом. Но при таком способе очень велико время пропитки. Значительно возрастает скорость пропитки при уменьшении вязкости, увеличении давления и вакуумировании.
Вакуумирование формально является увеличением внешнего давления на 1 атм (0,1 МПа) с точки зрения скорости пропитки, кроме того, удаление воздуха благоприятно сказывается и на структуре материала, так как полностью исключается возможность защемления воздуха. Увеличение глубины вакуума до 0,098 МПа позволяет до 150 раз увеличить скорость пропитки. После вакуумирования в более благоприятных условиях протекает гидратация цемента, потому что при пропитке без вакуума часть поверхности цемента не доступна для воды из-за адсорбированного воздуха.
Технология сухого бетонирования дает возможность более эффективно использовать методы, направленные на ускорение твердения бетона, например, использовать добавки — ускорители твердения, пропитывать горячей водой, предварительно нагревать заполнители. Эти меры позволяют в значительной степени сократить сроки твердения, способствуют быстрому набору прочности, что позволяет распалубливать изделия значительно раньше, даже сразу после формовки.
Для бетонов, полученных «сухим бетонированием», тепловлажностная обработка более эффективна, чем для обычных бетонов. Объясняется это тем, что для обычных бетонов основной причиной деструктивных явлений при пропаривании является расширение газовой фазы, а при сухом бетонировании содержание воздуха очень мало, то можно направлять отформованные изделия непосредственно на термообработку сразу после формования. При этом в камере можно создавать максимальную температуру. Оптимальная температура — 90–100 0С, время обработки — 3–4 ч. и 2 ч. — снижение температуры.
Бетоны, приготовленные на горячей воде или с применением горячих заполнителей, отправляют непосредственно в камеру термообработки либо вообще не термообрабатывают, так как в этом случае бетоны к 28 сут. набирают практически одинаковую прочность. При замене части цемента на молотый кварц можно использовать автоклавную обработку.
В заключение можно сделать следующие выводы.
1. Преимуществом технологий производства сухих смесей является возможность индивидуального и в необходимых случаях многократного модифицирования их компонентов химическими добавками или механохимической обработки с получением материалов широкого назначения.
2. К химическим добавкам в сухие смеси на кварцсодержащих цементах относят вещества гидрофобно ускоряющего действия, облегчающие технологию их получения и обеспечивающие сохраняемость до непосредственного применения требуемых в строительном процессе технологических показателей и механических свойств затвердевшего материала.
3. Из гидрофильных добавок С-3 и ЛСТМ-2 с позиции «присадочного» эффекта ко всем частицам сухой смеси более предпочтителен ЛСТМ-2, гарантирующий и более продолжительную ее сохранность во времени.
4. Металл-кварцсодержащие порошкообразные промышленные отходы, введенные в портландцемент или в сухую смесь, раздвигают зерна, способствуя гидратации и более полному использованию цемента.
5. Кварцсодержащие цементы рекомендуется приготавливать по низкочастотным ударно-истирающим режимам внешнего воздействия, а сухие смеси на их основе — по высокочастотным турбулентным режимам при давлении воздуха 6 атм.
6. При бетонировании железобетонных изделий и монолитных конструкций, а также при ремонтных работах целесообразно для получения долговечных бетонов применять «сухое» бетонирование по «каркасной» технологии.
Литература
1. Батраков В. Г. «Модифицированные бетоны. Теория и практика». «Технопроект». М., 1998 г.
2. Ходаков Г. С. «Физика измельчения». — М.: «Наука», 1972 г.
3. Ратинов В. Б., Иванов Ф. М. «Химия в строительстве». — М.: «Стройиздат», 1969 г.
4. Ахматов А. С. «Молекулярная физика граничного трения». М., 1963 г.
5. Соломатов В. И. «Технология полимербетонов и армоцементных изделий». — М.: СИ, 1984 г.
6. Елфимов В. А., Волгушев А. Н., Шестеркина Н. Ф. «Эффективные способы бетонирования в строительстве». ЦНИИТЭИМС, вып. 4, М., 1991 г.
| Автор: Б. А. Усов Дата: 27.01.2009 Журнал Стройпрофиль 1-09 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |