Влияние некоторых рецептурно-технологических факторов на степень поврежденности структуры и свойства кремнебетона

Анализ основных рецептурно-технологическихфакторов, определяющих кинетику структурообразования бетона и степень еготехнологической поврежденности

Твердениебетона — важнейшая стадия технологической переработки, в значительной степениопределяющая структуру бетона и, следовательно, его строительно-техническиесвойства. В условиях одновременного действия ряда структурообразующих идеструктивных факторов процесс структурообразования может развиваться сразличной скоростью и полнотой протекания реакции. Для управлениятехнологическим процессом, позволяющим обеспечить условия направленногоструктурообразования, крайне необходимо выявить и изучить степень и характервлияния как структурообразующих, так и деструктивных факторов.

Косновным рецептурно-технологическим факторам, определяющих кинетику процессаструктурообразования и степень технологической поврежденности бетона,относятся: вид и минералогический состав вяжущего; факторы, определяемые температурнымрежимом твердения; вид и концентрация химических добавок.

Внастоящее время известны вяжущие с широким спектром свойств и кинетикойструктурообразования от вяжущих, которые твердеют в естественных условиях втечение нескольких минут, до вяжущих, проявляющих способность к твердениютолько при условии длительного гидротермального воздействия.

Призаданном виде вяжущего наиболее действенным технологическим приемом в управлениипроцессом структурообразования бетона является тепловая обработка. Онапозволяет значительно интенсифицировать процесс твердения, в результате чегосокращается технологический цикл и повышается оборачиваемость основноготехнологического оборудования. Однако характер влияния тепловой обработки нафизико-механические свойства неоднозначен — наряду с интенсификацией процессаструктурообразования при повышении температуры наблюдаются и деструктивныеявления. Причины этих явлений на различных стадиях тепловой обработки различны.

Тепловаяобработка бетона делится на четыре стадии, сумма продолжительностей которыххарактеризует собой режим. К этим стадиям относится:

— выдержкабетона перед термообработкой,

— подъемтемпературы до температуры изотермической выдержки,

— изотермическаявыдержка;

— остывание.

Предварительнаявыдержка бетона позволяет значительно уменьшить и даже полностью устранитьдеструктивные процессы, наблюдаемые в период подъема температуры, причинойкоторых является различная степень увеличения объемов твердой, жидкой игазообразной фаз.

Оптимальнаяпродолжительность предварительной выдержки — величина непостоянная и зависит отвида и активности вяжущего, водо-вяжущего отношения, температуры окружающейсреды, наличия добавок и пр. Все факторы, способствующие ускорению твердениябетона, обеспечивают и сокращение длительности предварительной выдержки.

Времяразогрева бетонной смеси или скорость подъема температуры также являетсяобъектом исследования и оптимизации, так как именно на этой стадии тепловойобработки в основном и происходят деструктивные процессы. Скорость подъематемпературы зависит от прочности, которую приобрел бетон в процессепредварительной выдержки. С повышением этой прочности скорость подъематемпературы повышается. Для минимизации деструктивного эффекта, имеющего местов период подъема температуры, в последнее время применяют предварительныйразогрев бетонной смеси.

Настадии изотермической выдержки температура по сечению изделия выравнивается. Вэтот период наблюдается интенсивный рост прочности. Физические процессы,связанные с температурными градиентами и вызывающие деформацию структуры, восновном прекращаются, объем бетона достигает наибольшего значения и на этомуровне стабилизируется. Этот период для обычных бетонов составляет 4–8 ч. Придальнейшем изотермическом прогреве наблюдается медленный рост прочности спериодическим ее сбросом в результате возникновения собственных напряжений.Сбросы прочности представляют интерес, так как они наблюдаются не только притепловой обработке, но и при нормальном твердении.

Стадияостывания бетона также является регламентируемым периодом, поскольку превышениепредельно допустимого температурного градиента вызывает обильное образованиемикротрещин, в результате чего значительно снижаются показатели прочности истойкости бетона.

Управлениепроцессом структурообразования бетона эффективно осуществляется с помощьюхимических добавок — регуляторов процессов схватывания и твердения бетона. Этидобавки широко известны и исследования в этой области продолжаются.

Особенности кремнебетона, определяющие егоструктуру и свойства

Таковымиявляются:

1.В качестве вяжущего используется двухкомпонентная смесь, состоящая, с однойстороны, из активных щелочесодержащих форм кремнезема, а с другой — из тонкоизмельченногокварцевого песка, исполняющего роль затравки (подложки).

2.В качестве активного щелочесодержащего кремнезема чаще всего используетсятехногенное высококремнеземистое стекло (ВКС-вяжущее) либо еготридимитокристобалитовая модификация (ТК-вяжущее).

3.Для получения кремнебетона, характеризующегося высокимистроительно-техническими свойствами, непременным условием являетсяиспользование активного кремнезема в виде песчаных фракций с предельной крупностьюзерен 0,63 или 1,25 мм и тонкоизмельченного кварцевого песка с удельнойповерхностью более 300 м2/кг. При использовании одного и другогокомпонента в тонкоизмельченном состоянии в процессе термообработки кремнебетон вспучиваетсяна 3–5 %, в его структуре появляются множественные трещины, строительно-техническиесвойства кремнебетона значительно ухудшаются.

4.Растворение активных форм кремнезема и омоноличивание полученным гидросиликатомтонкоизмельченного кварцевого песка являются основой механизмаструктурообразования и осуществляются только в условиях автоклавнойгидротермальной обработки. В естественных условиях кремнебетон практически нетвердеет.

Установлено,что основными факторами, определяющими длительность термообработки при заданнойтемпературе и давлении, являются размер частиц активного кремнезема, его щелочностьи тонкость помола затравки.

Изученатакже растворимость как аморфного, так и кристаллического кремнезема в щелочнойсреде с концентрацией оксида натрия от 0 до 6 % в диапазоне температур от 0 до300 °С. Установлено, что растворимость кремнезема с повышением щелочности итемпературы среды повышается. При этом время изотермической выдержки,достаточное для полного протекания процесса структурообразования, определенокосвенным образом по визуальной оценке степени растворения зерен техногенногокремнезема, которое составляет: для кремнебетона на основе ВКС-вяжущего — до 21ч; для кремнебетона на основе ТК-вяжущего — до 72 ч.

Кинетикаизменения свойств кремнебетона как на ВКС-, так и на ТК-вяжущем не исследована,что не позволяет эффективно управлять процессом структурообразования.

Вышеизложенноепослужило предпосылкой для проведения исследований, направленных на изучениетехнологических приемов, минимизирующих технологическую поврежденностькремнебетона в процессе его тепловой обработки.

Особенности методики проведенияэкспериментальных работ

Исследованиепроводили на образцах-кубах с размером ребра 10 см. В процессе исследованийиспользовались стандартные методы испытания образцов. Предполагая по аналогии собычным цементным бетоном, что изменение свойств кремнебетона происходит посложной зависимости, ставилась задача изучить характер изменения основныхсвойств в широком диапазоне изменяемых факторов с достаточно малым интерваломварьирования.

Длявыявления факторов, оказывающих существенное влияние как на процессструктурообразования, так и на технологическую поврежденность кремнебетона,проведен ряд опытов. При этом основное внимание было сосредоточено намалоизученном ТК-вяжущем.

Былозамечено, что образцы из кремнебетона на ТК-вяжущем в процессе тепловойобработки вспучиваются на 1–2 мм, в результате чего на боковых гранях возникаютгоризонтальные трещины. Как концентрация трещин, так и ширина их раскрытия повысоте образца неравномерны и возрастают от нижней части к верхней. По нашемумнению, это является следствием того, что пластическая прочность, которуюприобретает кремнебетон на ТК-вяжущем до автоклавной обработки, являетсянедостаточной для того, чтобы воспринять внутренние напряжения, возникающиевследствие различной степени расширения твердой, жидкой и газообразной фаз.

Выбор факторов и интервалов их варьирования

Длятого чтобы свести к минимуму деструктивный процесс вспучивания, были испытанытакие технологические приемы, как увеличение времени предварительной выдержки ивремени подъема температуры, формование образцов из предварительно разогретойкремнебетонной смеси, пригружение образцов в процессе тепловой обработки,использование части ТК-вяжущего в тонкоизмельченном состоянии. Кроме того,исследовалось влияния химических добавок — активизаторов твердения кремнеземистыхвяжущих, в состав которых входят карбонаты натрия и калия, их гидроксиды ихлорид натрия. Также апробирована возможность обеспечения необходимойпластической прочности путем введения жидкого стекла в состав вместе сотвердителем (кремнефтористый натрий) взамен воды.

Былиприняты следующие базовые рецептурно-технологические параметры изготовления образцов.

Составкремнебетона, кг/м3:

ТК-вяжущеефракции менее 0,63 мм................................. 398

Затравкас Sуд=5000 см2/г.................................................... 293

Песокрядовой...................................................................... 181

Щебеньфракции 5–20 мм................................................. 1380

Вода(или жидкое стекло плотностью 1,3 г/см3)..... 130 (174)

Режими параметры автоклавной обработки:

Температураизотермической выдержки..................... 187°C

Давлениеизотермической выдержки....................... 1,2МПа

Времяпредварительной выдержки.................................... 3ч

Времяподъема температуры и давления........................... 3ч

Времяизотермической выдержки.................................... 26ч

Времяснижения температуры и давления........................ 3ч

Результаты испытаний образцов и их анализ

Результатыиспытания образцов приведены в табл. 1.Анализ результатов испытаний свидетельствует о том, что из рассматриваемыхрецептурно-технологических приемов, направленных на снижение поврежденностиструктуры, наиболее действенными являются: пригружение твердеющих образцов,предварительный разогрев кремнебетонной смеси и использование в качествезатворителя жидкого стекла.

Вид приема или добавки	Параметр приема или количество добавки	Свойства кремнебетона
		Общая пористость, %	Пористость вспучивания, %	Прочность, МПа	Водопоглощение, %	Водостойкость, %
Предварительная выдержка, ч	0	15,1	2,1	67,5	4,87	67
	3	14,9	1,9	69,7	4,61	70
	6	14,8	1,8	68,8	4,57	69
	12	14,6	1,6	69,3	4,53	68
Подъем температуры, ч	1,5	14,5	1,5	67,8	4,71	67
	3	14,7	1,7	69,5	4,62	69
	6	14,8	1,8	68,3	4,83	66
	12	14,9	1,9	68,7	4,85	65
Пригруз, г/см2	20	13,8	0,8	98,1	2,89	74
	50	13,7	0,7	102,1	2,55	79
	100	13,2	0,2	113,5	2,38	85
Водный раствор Nа2СО3, %	2	16,4	3,4	58,5	4,73	67
	5	16,1	3,1	60,2	5,03	65
	10	15,9	2,9	61,4	4,6	61
Водный раствор К2СО3, %	1	14,9	1,9	65,3	4,09	71
	2	14,5	1,5	69,5	4,80	69
	4	15,2	2,2	73,7	3,91	66
Водный раствор NaОН, %	1	14,5	1,5	68,9	5,08	70
	2	14,7	1,7	67,5	4,24	67
	4	13,6	0,6	75,2	4,42	63
Водный раствор КОН, %	1	14,4	1,4	68,3	4,88	69
	2	14,3	1,3	67,1	4,20	66
	4	13,8	0,8	73,2	4,74	62
Водный раствор NaCl, %	1	16,0	3,0	63,2	5,63	67
	2	15,3	2,3	59,8	4,67	65
	4	15,5	2,5	57,5	4,92	63
Жидкое стекло плотностью 1,3 г/см3 с содержанием Na2SiF6, %	0	13,7	3,7	125,5	2,44	76
	0,25	13,5	3,5	103	2,97	77
	0,5	13,2	3,2	82,9	3,16	75
	1	13,3	3,3	86,2	3,52	72
	1,6	13,3	3,3	88,8	3,94	69
	3,15	13,1	3,1	85	4,25	68
	6,3	13,0	3,0	79	4,63	66
Молотое ТК-вяжущего, %	20	15,9	2,9	59,1	5,71	65
Температура кремнебетонной смеси при формовании, °C	70	16,3	0,2	95,6	3,3	71

Таблица 1. Влияние некоторыхрецептурно-технологических факторов на кремнебетона

Ниувеличение времени предварительной выдержки, ни снижение температурногоградиента в период подъема температуры, ни введение активизаторов твердения, нииспользование части тридимита в тонкодисперсном состоянии не обеспечивают впериод предавтоклавной обработки должного повышения пластической прочности.Пористость, образовавшаяся в результате вспучивания образцов, достигает 3–4 %,что приводит к существенному снижению прочности и водостойкости и к повышениюводопоглощения.

Изприемов, которые сводят к минимуму деструктивные явления, наиболее приемлемымявляется пригружение твердеющего кремнебетона, положительный эффект которогодостигается также и при использовании закрытых форм кассетного типа. Два другихтехнологических приема уступают первому. Предварительный разогревкремнебетонной смеси, кроме дополнительных энергозатрат, сопровождаетсяповышением ее водопотребности на 20–25 %, что вызывает некоторое ухудшениеосновных строительно-технических показателей кремнебетона. Этот способцелесообразно использовать в тех случаях, когда из-за сложной конфигурацииизделий, или по другой причине, их изготовление невозможно в закрытых формах.Третий же технологический прием предусматривает использование жидкого стекла —сравнительно дорогостоящего и дефицитного материала, применение которогодопустимо только при соответствующем технико-экономическом обосновании. Приэтом необходимо отметить, что жидкое стекло не столько предотвращает вспучивание,сколько активизирует процесс структурообразования. Его целесообразноиспользовать без отвердителя, так как кремнефтористый натрий ухудшаетрастворение и кристаллизацию ТК-вяжущего, что соответствующим образомсказывается на качественных показателях кремнебетона.