В сочетании с тепловой обработкой

Выполненные исследования дают основание заключить о стадийном характере твердения цементных систем, как при нормальной, так и любых повышенных температурах. Стадийно наступающие моменты стяжения (самоорганизации) клинкерных зерен (переходные моменты) являются целесообразными для осуществления вибрационного уплотнения при различных температурных условиях твердения бетона.

Для практических целей важно установить аналитическую зависимость времени наступления начальных переходных моментов (ПМ₁, ПМ₂,... ПМ_n) от продолжительности предварительного выдерживания бетонной смеси (τ _выд) при обычной температуре (включающей суммарное время таких технологических переделов как приготовление смеси, ее доставку к формовочным постам, укладку в форму и уплотнение, подготовку системы подачи теплоностителя) и скорости подъема температуры (V_t) в отформованном изделии в процессе тепловой обработки. Выявление этой зависимости позволит оперативно назначать сроки приложения вибрирования в производственных условиях.

Продолжительность предварительного выдерживания смеси была принята в диапазоне от 20 до 90 мин, включающем в себя длительность формования широкой номенклатуры сборных железобетонных изделий: от единичных немассивных изделий типа кормушек, лотков для животноводческих зданий, фундаментных блоков и др., изготавливаемых в индивидуальной оснастке, до изделий, формуемых в высокоёмких кассетно-стендовых установках. Скорость подъема температуры изменяли от 15 до 185 °С/ч, т.е. от «мягкого» до форсированного режимов тепловой обработки бетона. Такое широкое варьирование факторов предопределило составление ротатабельного плана эксперимента с постановкой опытов на пяти уровнях: ядрах матрицы (±1), нулевой (0) и «звездных» точках, координаты которых для двухфакторного эксперимента равны ±1, 41. Основные характеристики плана представлены в табл.5.3.

Объектом исследования кинетики структурообразования материала при повышенных температурах служило тесто на новороссийском портландцементе с В/Ц=0, 24…0, 35. Предварительное выдерживание цементного теста производили при температуре 20±2 °С. Заданный режим тепловой обработки осуществляли электропрогревом материала в диэлектрической форме на пластометрической установке, рис.3.21. Максимальная температура (температура изотермического прогрева) составляла 80±2 °С.

За переменную состояния (выход) принято время (с момента начала прогрева) наступления первых трех переходных моментов (ПМ) структурообразования теста (ПМ₁…ПМ₃), которые фиксируются тремя начальными переломами (всплесками) пластограмм. В качестве примера на рис.3.23 приведены результаты пластометрических опытов на нулевом уровне (Х₁=0; Х₂=0). Выбор ротатабельного плана предопределил вид математической модели (y = b_o + b₁X₁ + b₂X₂ + b₁₂X₁X₂ + b₁₁X₁² + b₂₂X₂²), которая после расчета коэффициентов регрессии и статистической оценки опытных данных представлена следующими квадратными уравнениями:

ПМ₁ = 22 – 10Х₁ – 6Х₂ + 5Х₁Х₂ – 5 Х₁²; (1)

ПМ₂ = 45 – 11Х₁ – 12Х₂ + 3Х₁Х₂ – 5Х₁² + 4Х₂²; (2)

ПМ₃ = 61 – 12Х₁ – 15Х₂ + 4Х₁Х₂ – 2Х₁² + 8Х₂². (3)

Таблица 5.3

Основные характеристики ротатабельного плана

Коэффициенты b₁ и b₂ уравнений имеют знак «минус». Это означает, что сокращение интервалов времени до наступления первого (ПМ₁), второго (ПМ₂) и третьего (ПМ₃) переходных моментов следует ожидать при увеличении значения факторов Х₁ (τ _выд) и Х₂ (V_t), т.е. при повышении длительности предварительного выдерживания бетонной смеси и скорости прогрева бетона. Значения коэффициентов при линейных членах уравнений свидетельствуют о различной степени влияния факторов (Х₁, Х₂) на параметр выхода (ПМ₁ …ПМ₃). На время наступления первого переходного момента (уравнение 1) большее влияние оказывает продолжительность предварительной выдержки смеси, чем скорость прогрева бетона. Эти факторы близки по степени воздействия на время наступления второго переходного момента (уравнение 2). На третий переходный момент (уравнение 3) больше влияние второго фактора (скорости подъема температуры). Отмеченная особенность влияния факторов подтверждается также абсолютными значениями коэффициентов при квадратичных членах уравнений. Следует отметить, что при предварительной выдержке около 90 мин (Х₁=+1, 41) ПМ₁=0. Это свидетельствует о том, что первый переходный момент в цементной системе произошел в процессе выдерживания бетонной смеси в естественных температурных условиях.

Полученные аналитические зависимости позволяют расчетным путем определить первые три срока осуществления вибрации. Для этого в уравнения следует ввести конкретные технологические факторы (продолжительность предварительного выдерживания смеси и скорость прогрева бетона) в кодированном виде. Предположим, Х₁ (τ _выд) = 70 мин, Х₂ (V_t) = 38 °С/ч. Переведем натуральные значения факторов в кодированные величины по формуле:

x_i = (X_i – X_o) / Δ Х = (X_i – X_o) / (Х_max – X_o) = (X_i – X_o) / (X_o – X_min),

где: х_i – кодированное значение переменной;

Х_i, Х_о, Δ Х, Х_max, X_min – натуральное значение фактора, его значение в «нулевой» точке (центре эксперимента), интервал варьирования, значения факторов в точках «+1», «-1», соответственно.

Кодированные значения факторов: х₁ = (70 – 55) / (80 – 55) = +0, 6; х₂ = (38 – 100) / (160 – 100) = -1, 03. Подставляя данные величины в уравнения (1)…(3), получаем: ПМ₁ = 22 – 10 (0, 6) – 6 (-1, 03) + 5 (0, 6) (-1, 03) – 5 (0, 6)² = 17 мин; аналогично: ПМ₂ = 51 мин; ПМ₃ = 75 мин. Таким образом, при заданных технологических факторах время приложения вибрирования: 17, 51 и 75 мин с момента начала тепловой обработки бетона.

На практике достаточно часто применяют «мягкий» режим тепловой обработки, плавный подъем температуры бетона до максимальной со скоростью не более 10…15 °С/ч). Это позволяет уменьшить температурный перепад по объему прогреваемого изделия, снизить градиент усадочных деформаций и трещинообразование, повысить свойства и долговечность бетона. Время приложения вибрационных воздействий в данном случае может определяться по номограмме (рис.5.15). Пунктирной линией показано определение времени уплотнения при предварительной выдержке – 70 мин и скорости прогрева бетона – 12 град/ч.

Разработанные математические модели и графические зависимости могут быть использованы для определения времени осуществления силовых воздействий (повторного, циклического вибрирования, проведения формовочных работ) для бетонных смесей без химических добавок (пластифицирующих, ускорителей, замедлителей твердения и др.) на основе портландцементов с минералогическим составом: C₃S-50…65, C₂S-10…20, C₃A-5…10, C₄AF-10…20 % и минеральными добавками (шлак, трепел) – до 55 % по причинам, отмеченным в разд.3.1. При использовании цементов с иными минералогическим и вещественным составами, отличными температурными условиями твердения, а также модифицированных различными добавками бетонных смесей указанные сроки могут определяться пластометрическим методом.

Учитывая огромное разнообразие применяемых на практике растворных и бетонных смесей, отличающихся консистенцией, видом крупного и мелкого заполнителей, температурным режимом твердения, наличием химических добавок (индивидуальных или комплексных) и пр., рекомендовать какой-то универсальный режим циклической виброобработки не представляется возможным. В каждом конкретном случае этот режим уточняется экспериментально. Последовательность работ заключается в предварительном изучении процесса структурообразования цементного теста, твердеющего в заданных условиях (температурных, с определенным видом и количеством добавки), выявлении сроков приложения силовых воздействий, последующем изготовлении контрольных образцов с различными режимами вибрационной обработки, их испытании, обработки полученных данных, назначении рационального режима уплотнения и экспериментальной проверки стабильности полученных результатов.

Рис.5.15. Номограмма для определения первых пяти сроков уплотнения

в зависимости от продолжительности предварительного выдерживания

смеси (указана цифрами у кривых) и скорости прогрева бетона

Для изучения различных режимов «направленного» вибрационного воздействия подвергаемых тепловой обработке бетонов использовали специально изготовленный для этих целей вибрационный стенд (рис.5.16), позволяющий изготавливать образцы-кубы с ребром 10 см. Поддон стенда оснащен электронагревателями, с помощью которых осуществлялся прогрев образцов. К днищу вибростенда жестко закреплен навесной вибратор (напряжением 36 В) мощностью 0, 5 кВт), обеспечивающий вибрационное уплотнение образцов с параметрами: n=50 Гц; А=0, 35…0, 45 мм. Для получения идентичного температурного режима твердения всей серии образцов (в количестве 30 шт.) у бортов предусмотрены формовочные полости шириной 50 мм, которые также заполняли конкретным составом смеси (полученные таким образом образцы толщиной 50 мм в дальнейшем не использовали).

Рис.5.16. Общий вид вибростенда для изготовления

бетонных образцов с прогревом и виброактивацией:

1 – формовочные отсеки; 2 – тепловой поддон; 3 – рама

стенда; 4 – вибратор; 5 – трансформатор понижающий

Бетонную смесь состава Ц: П: Щ=1: 2: 4 (расход новороссийского портландцемента – 310 кг/м³, мелкий заполнитель – песок кварцевый кубанский, крупный – щебень гранитный фр.5…10 мм, подвижность смеси – 10…12 см) укладывали в многоместную форму, тщательно уплотняли. Поверхность образцов накрывали влаготеплоизолирующей крышкой (полиэтиленовой пленкой и пенополистирольной плитой толщиной 50 мм), подавали на ТЭНы напряжение (220 В) и осуществляли прогрев образцов.

С помощью помещенной в центр одного из образцов хромель-копелевой термопары предварительно исследовали температурный режим твердения бетона и с помощью пластометрической установки (рис.3.21) определяли время приложения вибрации. При предварительном выдерживании 60 мин, продолжительности прогрева в течение 4 ч время приложения вибрации составляло: 30, 80, 125, 160, 185 и 205 мин с момента начала тепловой обработки. Изготовили три партии образцов: без циклической вибрации (контрольный состав), с вибрированием через 30, 80, 125, 160 мин (режим 1) и через 80, 125, 160, 185, 205 мин (режим 2) с момента начала тепловой обработки. Прочность образцов определяли сразу после четырехчасового остывания в возрасте 1, 3, 7, 14 и 28 суток последующего выдерживания в камере стандартных условий. Результаты испытания образцов на прочность представлены на рис.5.17.

Рис.5.17. Кинетика прочности бетона, изготовленного обычным

способом (1) и с циклическим вибрированием по первому (2) и

второму (3) режимам уплотнения

Как видно, рациональным режимом циклической обработки для данных состава бетонной смеси и температурных условий твердения является первый режим. По сравнению с традиционным способом производства (кривая «1») данный режим уплотнения во все сроки испытания повышает прочность на 40…60 %. Увеличение продолжительности вибрационной обработки до 205 мин (кривая «3») приводит к резкому снижению прочности в связи с разрыхлением структуры бетона. Следовательно, рациональный режим циклической обработки должен предусматривать не только согласование вибрационных воздействий с кинетикой структурообразования цементного камня, но и обязательно учитывать тиксотропное (пластическое) состояние твердеющего материала. Со временем в твердеющей цементной системе уменьшается количество свободной воды, смесь теряет свои пластические свойства, повышается ее хрупкость. В связи с этим, осуществление вибрационных воздействий на более поздних этапах, производимых даже в рациональные сроки (моменты стяжения клинкерных зерен), может привести к нежелательным деструктивным последствиям, ухудшению свойств затвердевшего бетона. Последний аспект учитывался в дальнейших экспериментах.

Наиболее неблагоприятные условия для структурообразующих процессов и получения качественного материала создаются при «форсированных» режимах прогрева бетона, которые осуществляются, например, путем быстрого электроразогрева бетонной смеси в форме. Даже применение немедленного после разогрева тщательного повторного уплотнения не в состоянии ликвидировать неизбежные деструктивные последствия. Интенсивное взаимодействие цементных минералов с водой приводит к бурному накоплению на поверхности частиц вяжущего гидратных продуктов. Стадийно разрушающиеся (раздвигающиеся) гидратные клеевые продукты препятствуют формированию качественных контактных зон микробетона. То есть в данных температурных условиях имеет место ярчайшее несоблюдение «кинетического фактора» [139] – скоростей образования новой фазы и структуры твердения. Именно поэтому данный вид тепловой обработки был использован для выявления эффективности циклической виброактивации.

Образцы-кубы с ребром 10 см из ранее упомянутого состава изготавливали в девятиместной текстолитовой форме с боковыми металлическими стенками-электродами (рис.5.18). Форму с помощью струбцин жестко крепили к лабораторной виброплощадке. Электроразогрев уложенной в форму, тщательно уплотненной и предохраняемой от тепло- и влагопотерь бетонной смеси до температуры 80±2 ^оС производили током промышленной частоты через по-нижающий трансформатор в течение 10…15 мин. После разогрева образцы подвергали различным режимам виброуплотнения, изотермическому выдержи-ванию в течение четырех часов и четырехчасовому охлаждению.

Предельный положительный результат может быть достигнут не только в случае осуществления вибрирования в оптимальные временные интервалы, но и при соответствии продолжительности уплотнения в каждом из сроков показателю жесткости бетонной смеси в данный момент времени (во всяком случае, быть не ниже этого показателя). В связи с этим, важным технологическим фактором является изучение кинетики жесткости разогретых бетонных смесей. Стандартный технический вискозиметр непригоден для решения поставленной задачи (неизбежные влаго- и теплопотери, непременно, внесут трудно учитываемые факторы в результаты испытаний). Для проведения опытов был изготовлен специальный вибровискозиметр (рис.5.19), прототипом которого послужил прибор В.Я.Гендина и Ю.А.Ильевского [415].

Рис.5.18. Установка для изготовления бетонных образцов с

форсированным электроразогревом смеси и виброактивацией:

1 – пульт управления; 2 – термо-, влагозащитная крышка с

термометром; 3 – форма текстолитовая; 4 – виброплощадка

Рис.5.19. Общий вид вибровискозиметра для определения

кинетики жесткости электроразогретых бетонных смесей:

1 – кронштейн поворотный с площадкой; 2 – перегородка

средняя; 3 – корпус вискозиметра; 4 – виброплощадка

Последовательность операций по определению жесткости разогретых смесей состояла в следующем. Корпус вибровискозиметра с помощью струбцин закрепляли на виброплощадке. В отсек с электродами в два слоя укладывали бетонную смесь и уплотняли стандартным методом. Поверхность смеси укрывали полиэтиленовой пленкой и пенополистирольной плитой (толщиной 50 мм). В течение 10…15 мин посредством понижающего трансформатора, соединительных проводов и пластинчатых электродов, закрепленных на средней перегородке и боковой стенке прибора, смесь разогревали до требуемой температуры (80 °С) и выдерживали на достигнутом уровне необходимый интервал времени путем периодического пропускания электрического тока (температура контролировалась ртутным термометром). В момент испытания установку обесточивали, теплоизоляцию снимали, на поверхность смеси поворотным кронштейном устанавливали площадку со штоком (общей массой 650 г), удаляли среднюю перегородку, включали виброплощадку и засекали время в секундах, в течение которого шток с нанесенной на него шкалой опустится на 100 мм. Для перевода полученных показателей в стандартную жесткость использовали тарировочный график (рис.5.20).

Рис.5.20. Тарировочный

график определения

стандартной жесткости

по показаниям

вибровискозиметра

За время разогрева жесткость бетонной смеси возросла, практически, вдвое (с 10…12 до 20 с), что, вероятно, связано с водоотделением – количество отжатой расширяющимися компонентами воды за данный период составило 3…6 % от ее исходного содержания. В процессе изотермического выдерживания жесткость смеси постепенно увеличивалась: через 10 и 20 мин прогрева показатель жесткости составил 33 и 43 с, соответственно (рис.5.21). Однако через 30 и 40 мин наблюдалось снижение показателя до 27…28 с. Подобное явление имело место и при исследовании кинетики жесткости некоторых составов бетонных смесей на Воскресенском портландцементе при обычных температурных условиях выдерживания (рис.5.10). По-видимому, уменьшение жесткости вызвано пластифицирующим действием выделяющейся при гидролизе силикатов кальция известью. Через 50 и 60 мин прогрева жесткость смеси составляла 41…42 с и при дальнейшем выдерживании резко увеличивалась (к 90 мин достигала 100 с). Как видно, даже при столь высокой температуре разогрева (80 °С) бетонная смесь достаточно продолжительное время сохраняет свои пластические свойства.

Рис.5.21. Кинетика жесткости разогретой бетонной смеси

Таким образом, вышеуказанным методом было изготовлено шесть серий образцов: с уплотнением бетонной смеси сразу же после разогрева (контрольный состав), с однократным (повторным) вибрированием через 20, 30, 40, 60 мин и трехразовым циклическим вибрированием через 20, 40 и 60 мин с момента разогрева. Время приложения вибрации (20, 40 и 60 мин) принято, исходя из двадцатиминутной стадийности твердения цементной системы при 80 ^º С (рис.3.22); 30мин – промежуточный срок. Несмотря на изложенный характер изменения показателя жесткости горячей бетонной смеси, продолжительность уплотнения образцов в каждом из сроков составляла 50с.

Прочность образцов при сжатии после тепловой обработки (по режиму 0, 25+4+4) в возрасте 3 и 28 сут последующего выдерживания в камере стандартных условий представлена в таблице 5.4. Повторное (одноразовое) вибрирование менее эффективно, чем циклическое. Так, сразу после прогрева и в трехсуточном возрасте прочность образцов, повторно уплотненных в оптимальное время (через 20, 40 и 60 мин), практически не отличалась от контрольных, уплотненных сразу после разогрева. Правда, в месячном возрасте прочность первых была на 5…15 % выше и достигала марочной прочности, в то время как контрольный состав и образцы, провибрированные в промежуточное время (через 30мин с момента разогрева) имели тенденцию к 5…10%-ному недобору.

Таблица 5.4

Прочность образцов, изготовленных методом форсированного

электроразогрева смеси в форме с различными режимами вибрации

При интенсивном твердении бетона одноразовой вибрации явно недостаточно. В данном случае существенного повышения прочности можно достичь лишь применением циклического уплотнения бетонной смеси. Проведенные опыты показали, что прочность образцов, подвергнутых трехразовому циклическому вибрированию, при всех испытаниях значительно превышала прочность контрольных образцов (после тепловой обработки, через 3 и 28 суток, соответственно, на 3…10, 11…24 и 25…29 %) и на 25…30 % была выше марочной прочности бетона.

Повышенные показатели прочности циклически обработанных образцов к конкретным срокам испытания свидетельствуют об активизации циклическим вибровоздействием процесса структурообразования цементного камня. В связи с этим, одним из путей практической реализации указанного эффекта является сокращение продолжительности тепловой обработки до приобретения бетоном заданной прочности.

Из данных табл.5.5, в которой представлены результаты испытания образцов, изготовленных с циклическим вибрированием и различной продолжительностью изотермического прогрева, видно, что если за критерий принять прочность контрольных образцов сразу после прогрева, равную 5, 64± 0, 62 МПа (затененная область, рис.5.22), то за счет трехразового циклического вибрирования длительность изотермического прогрева может быть сокращена на 1, 0…1, 5 ч или на 25…30 %. И в том случае, если критерием является трехсуточная прочность контрольного бетона (11, 4±1, 06 МПа), это сокращение может составить более 50 %.

Таблица 5.5

Прочность циклически активированных образцов с различной

продолжительностью изотермического прогрева

Рис.5.22.Влияние продолжительности изотермического прогрева

на прочность виброактивированного бетона (сплошные линии –

верхняя, пунктирная – нижняя зоны доверительных границ)

Для производственных условий последний вариант предпочтителен, с точки зрения экономии энергетических ресурсов, поскольку необходимую 70 %-ю отпускную прочность железобетонные изделия могут приобрести в течение двух-трех суток на постах дозревания или на складе готовой продукции. Отметим также, что подвергнутый циклической виброактивации и сокращенным режимам прогрева бетон не только достигает, но и на 7… 20 % превышает марочную прочность.