Интенсификация бетонных работ на основе активации смесей

Статья рассказывает о технологии активации бетонной смеси, разработанной специалистами СПбГАСУ.

Применительно к бетонным работам, выполняемым в построечных и заводских условиях, интенсификация предполагает решение задач, направленных на повышение эффективности производства:

— сокращение расхода материалов, прежде всего цемента;

— уменьшение энергозатрат;

— сведение к минимуму трудозатрат;

— увеличение темпов набора прочности бетона;

— повышение качества бетона.

Эффективность любой технологии может быть оценена по тому, в какой мере эта технология обеспечивает требуемые сроки создания строительной продукции, её стоимость и качество. Поиск рационального сочетания отдельных составляющих триединой задачи особенно актуален применительно к технологии бетонных работ. Действительно, стремление сократить сроки достижения отпускной или распалубочной прочности бетона, например, за счёт 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 является 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 итоге, на стоимость.

О необходимости активации бетонной смеси свидетельствуют следующие факты и обстоятельства. 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 плотностью 350–400 кг/м3 для наиболее распространённых бетонов классов В22.5–В25 к моменту достижения проектной прочности в реакции гидратации вступает 30–35 % массы цемента. Примерно 2/3 цемента (в приведённом примере — около 240 кг/м3) в раннем возрасте бетона используется как «микрозаполнитель».

При производстве сборного железобетона в заводских условиях время на тепловую обработку бетона составляет примерно 70 % от общего цикла изготовления. Наиболее распространённым способом ускорения твердения бетона на заводах сборного железобетона является пропаривание изделий. При этом для получения отпускной прочности бетона удельные энергозатраты составляют ?0,5 Гкал/м3 или 580 кВт?ч/м3.

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·ч/м3 (прогрев стальной изолированной греющей проволокой) до 200–250 кВт·ч/м3 (электродный прогрев). При этом время достижения распалубочной прочности бетона, например, равной 70 % от проектной прочности составляет 2–3 суток.

Важно иметь в виду, что все существующие методы ускорения твердения бетона, основанные на внесении тепла в твердеющий бетон, приводят к ухудшению его качества. Компоненты бетонной смеси в системе «твёрдая фаза — жидкая фаза — газообразная фаза» при нагревании имеет различные увеличения объёмов, которые находятся в соотношении 1:100:1000. За счёт деструктивных явлений, обусловленных неравномерностью объёмных 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 повышается водонепроницаемость бетона, ухудшается его морозостойкость.

Приведённый 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 отдельных её составляющих. Ниже приведена краткая характеристика некоторых из этих направлений и более подробно освещены вопросы активации бетонной смеси на основе предварительного разогрева смеси и её компонентов.

Активация воды затворения возможна путём её омагничивания, ионизации, обработки ультразвуком. Эти технологические приёмы 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 приёмов механической активации цементного теста, цементного раствора и бетонной смеси известны вибродомол цемента, виброперемешивание смеси и другие. По мнению большинства исследователей, эффект виброактивации заключается в следующем. При вибрационной обработке цементного теста, раствора, бетонной смеси происходит адсорбционное и химическое диспергирование зёрен цементного клинкера, их дефлокуляция. Возрастает число коллоидных частиц в единице объёма, увеличивается масса цементного геля. Вибрация способствует обнажению зёрен 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 приёмы 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 °C увеличивается в 6 раз и в 10 раз при температуре 100 °C по сравнению с нормальными условиями. Однако, как уже было отмечено выше, наложение теплового поля на твердеющий бетон приводит к ухудшению его качества. Этот недостаток сведён к минимуму в методе предварительного разогрева бетонной смеси, предложенном А. С. Арбеньевым ещё в 1962 г. [1].

Одна из современных разновидностей предварительного разогрева, названная 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 неё вибрации, избыточного давления и пара. Активированная таким образом смесь укладывается, уплотняется, укрывается плёнкой, 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 часов и 70–100 % через сутки при скорости остывания до 2 °С в час (рис. 1);

— минимум энергозатрат — до 50 кВт?ч/м3;

— улучшение качества бетона по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и сцеплению с арматурой;

— исключение безвозвратной потери электродов, греющих проводов и т. п.;

— сокращение трудозатрат (?0,2 ч·дн/м3);

— повышение технологической надёжности за счёт сведения к минимуму негативного влияния случайных факторов (например, отключение электроэнергии) на процесс выдерживания бетона.

Рис. 1. Кинетика нарастания прочности в ранние сроки

Технология бетонирования смесями, активированными в установках ТВОБС, прошла успешно проверку в производственных условиях. Однако по ряду причин эта энерго- и ресурсосберегающая 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 (?50 кВт?ч/м3) для обеспечения потока бетонирования термовиброобработанными смесями, например, 30–60 м3 в смену, требуется электрическая мощность 250–500 кВт. Работа по устранению противоречия между минимумом расхода электроэнергии и большой требуемой мощностью ведётся по двум направлениям.

1. Н. А. Зубовым предложено примерно 50 % тепла от требуемого количества вносить на заводе-поставщике товарного бетона. Остальное тепло вносится на строительной площадке при разогреве бетонной смеси перед её укладкой в опалубку или в процессе термоактивного выдерживания бетона. При этом имеется в виду, что при приготовлении бетонной смеси она разогревается не до 35 °С, как в методе термоса, а до 45-50 °С. Реальность этого предложения подтверждена экспериментально. Бетонная смесь производственного состава, разогретая до 43 °С и подвергшаяся перемешиванию при закрытой горловине смесительного барабана, медленно снижая подвижность с 12 до 2 см осадки конуса, сохранила требуемую удобоукладываемость в течении 170 мин. При разогреве смеси до 50 °С и последующем перемешивании при закрытой горловине смесительного барабана снижение подвижности до 2 см наступало через 110 минут. Таким образом, простым технологическим приёмом, а именно предварительным разогревом на заводе и последующем перемешивании разогретой смеси при закрытой горловине автобетоносмесителя можно в значительной мере (примерно в 2 раза) уменьшить электрическую мощность, требуемую для разогрева на строительной площадке.

2. А. Л. Колчеданцевым предложено примерно 80 % тепла требуемого количества вносить бетонную смесь на заводе. Этот вариант предусматривает раздельное приготовление бетонной смеси. На заводе разогреваются бесцементная смесь до температуры 70–80 °С. Для обеспечения её 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 активный 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) (рис. 2). Реальность этого предложения также подтверждена экспериментально. Путём введения в бесцементную смесь электропроводных и водоудерживающих добавок обеспечивается её удельное сопротивление в пределах 3–9 Ом?м, что позволяет осуществлять электроразогрев смеси.

Рис. 2. Температурный режим разогрева бесцементной бетонной смеси, её транспортирования на объект, введения в неё цементно-водной суспензии, подачи к месту бетонирования, укладки и выдерживания бетона

Предлагаемая технология приготовления и разогрева бетонной смеси исключает необходимость существенного увеличения электрической мощности на строительной площадке. При этом сохраняются достоинства использования активированных смесей.

Библиографический список

1. Арбеньев А.С. От электротермоса к синэнергобетонированию. — Владимир: ВТУ, 1996

2. Колчеданцев Л. М. Интенсифицированная технология бетонных работ на основе термовиброобработки смесей. — СПб.: СПбГАСУ, 2001