Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий (стр. 1 )

Лекция № 8 – ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА БЕТОННЫХ

И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

На заводах ЖБИ нашли широкое распространение следующие виды тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий; пропаривание в камерах периодического или непрерывного действия при нормальном атмо­сферном давлении и температуре 60-100 °С; запаривание в автоклавах при температуре насыщенного водяного пара 175-190°С и давлении 0,9-1,3 МПа; нагрев в закрытых формах с контактной передачей тепла бетону от различных теплоносителей через ограждающие поверхности форм; электропрогрев бетона; прогрев в электромагнитном поле, а также с использованием солнечной энергии.

Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий является одним из наиболее длительных и ответственных процессов в технологии их производства. Сущность ее состоит в том, что при повышении температуры до 80-100 °С скорость реакции гидратации вяжущих веществ увеличивается.

Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий проводит­ся до достижения распалубочной, отпускной, а для предварительно напря­женных изделий передаточной прочности.

Под распалубочной прочностью подразумевается необходимая прочность бетона, по достижению которой возможны выемка изделия из формы без повреждений и безопасное транспортирование к месту хранения.

Отпускная прочность бетона согласно ГОСТ 13015.0 должна быть не менее: для изделий из тяжелых бетонов всех классов и легких бетонов класса В7.5 и выше - 70%; для легких бетонов класса ниже В%; для бетонов автоклавной обработки - 100% проектной прочности. В холодное время года отпускная прочность бетона назначается равной его проектной прочности.

Для предварительно напряженных изделий достигают передаточной прочности бетона, которая необходима к моменту передачи на него усилий предварительного натяжения.

Так как железобетонные изделия разнообразны по своим размерам, составу, свойствам, способам формования, требованиям к виду и качеству по­верхности, применяются различные установки тепловой обработки. Эти установки отличаются по принципу действия - периодические и непрерывные.

К установкам периодического действия относятся ямные камеры, автоклавы, кассетные установки и кассетные формы. К установкам непрерывного действия относятся туннельные, щелевые, вертикальные камеры, камеры прокатных станов.

В качестве теплоносителя широкое распространение получили пар и паровоздушная смесь, а также подогретый и увлажненный воздух.

При применении в качестве источника теплоты электроэнергии нагрев изделия осуществляют при непосредственном прохождении электрического тока через бетон или при помощи различных нагревателей и излучателей.

На продолжительность тепловой обработки влияет минеральный состав цемента. При применении низкоалюминатных цементов продолжительность тепловой обработки обычно составляет 13-15 ч. Среднеалюминатные цементы интенсивно набирают прочность в начальный период пропаривания, поэтому при их применении продолжительность тепловлажностной обработки составляет 10-13 ч. Нежелательно применение высокоалюминатных цементов, так как после быстрого кратковременного твердения они резко замедляют рост прочности как при дальнейшем прогреве, так и при последующем твердении.

Широкое распространение при производстве сборного железобетона нашли шлакопортландцементы и быстротвердеющие портландцементы (ВТЦ, ОБТЦ). Одним из путей интенсификации режимов пропаривания бетона является введение в бетонную смесь электролитов-ускорителей твердения: нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит-нитрат хлорид кальция (НHXK). Применение этих добавок позволяет без снижения прочности уменьшить длительность изотермического прогрева в два раза (с 8 до 4 ч).

В процессе тепловой обработки в бетоне происходят сложные физические процессы, вызывающие появление деформаций способствующих образованию трещин.

При подъеме температуры и в начале изотермического прогрева температура и давление пара в изделии более низкие, чем окружающей среды и наружные более нагретые его слои увеличиваются в объеме в большей степени, чем внутренние. Кроме того, разница температуры в различных слоях бетона создает в них разность парциальных давлений. Это вызывает перемещение влаги из наружных слоев во внутренние и расширение находящейся в порах паровоздушной смеси, создающей внутри бетона избыточное давление. В этот период, особенно при быстром подъеме температуры, в бетоне возникают значительные напряжения и образуются трещины и нарушается контакт между цементным камнем и заполнителем.

При изотермическом прогреве затвердевший бетон увеличивается в объеме и вследствие разницы коэффициентов линейного температурного расширения его компонентов образуются микродефекты.

При снижении температуры в камере температура бетона и давление в нем пара будут выше, чем в окружающей среде и начинается движение в нем нагретого воздуха к открытой поверхности изделия, а также миграция из глубинных слоев бетона влаги с интенсивным ее испарением.

Таким образом, в бетоне в период тепловлажностной обработки на­блюдаются остаточные объемные деформации, возникающие в начальной стадии твердения при нагревании изделий из еще недостаточно прочного бетона, образование направленной капиллярной пористости, в связи с пере­мещением влаги и паровоздушной смеси, пониженной плотности цемент­ного камня в бетоне, вызванной недостаточной степенью гидратации и об­разованием более крупных кристаллогидратов, приводящих к появлению многочисленных дефектов, вызывающих снижение эксплуатационных ха­рактеристик изделий и конструкций.

Итак, в процессе тепловой обработки наряду с рядом положительных факторов, ускоряющих твердение, имеют место факторы, отрицательно вли­яющие на формирование структуры бетона в изделии. Задача технологов сводится к тому, чтобы усилить влияние положительных факторов и осла­бить или исключить влияние отрицательных. Это осуществляется путем оптимизации режимов тепловой обработки.

Тепловая обработка с использованием пара низкого давления. Процесс тепловой обработки состоит из четырех периодов: выдерж­ки изделий, подъема температуры, выдержке при максимальной температу­ре и остывании до температуры окружающей среды.

Правильность назначения предварительной выдержки определяется достижением бетона начальной прочности, позволяющей воспрепятствовать внутренним напряжениям, возникающим при нагреве, без нарушения формирующейся структуры. Оптимальная длительность предварительного выдерживания для различных бетонов различна. Она зависит от активности цемента, В/Ц, подвижности бетона и температуры окружающей среды. Чем выше марка цемента и бетона, а также, чем выше температура окружающей среды и жесткость бетонной смеси, тем короче может быть время предвари­тельного выдерживания.

Введение химических добавок (ускорителей твердения) приводит к сокращению, а поверхностно-активных добавок - к увеличению длительно­сти предварительного выдерживания.

Применение предварительного выдерживания особенно целесооб­разно при пропаривании распалубленных изделий, а также изделий с боль­шими открытыми поверхностями.

При тепловой обработке под пригрузом, в закрытых формах, в ма­лонапорных и индукционных камерах предварительное выдерживание не­целесообразно, а при применении разогретых бетонных смесей - противо­показано.

Большое значение для качества бетона при тепловой обработке име­ет правильное назначение режима прогрева. В общем виде полный цикл тепловлажностной обра­ботки бетонных и железобетонных изделий состоит из следующих периодов (рис. 8.1. а): предварительного вы­держивания τпред; нагрева изделия τI, изотермического выдерживания τII; охлаждения τIII.

Предварительная выдержка при обычной температуре окружающей среды рекомендуется для бетонов из подвижных и малоподвижных смесей в течение 3-6 ч, из жестких смесей не менее 3 ч, а из особо жестких не менее 2 ч.

Температуру в пропарочной камере следует поднимать плавно во из­бежание возникновения значительных температурных перепадов в изделии.

Допускаемая максимальная скорость подъема температуры (при свободном влаго - и теплообмене и наличии открытых поверхностей изделия) для немассивных изделий составляет 30-35 °С /ч. Чем массивнее изделие, а также чем больше начальное водосодержание бетонной смеси, тем медленнее дол­жен быть подъем температуры. Скорость подъема температуры для крупно­размерных тонкостенных изделий (ребристые и многопустотные плиты пе­рекрытий, элементы ферм и т. п.) не должна превышать, а для более массивных изделий 20 °С/ч. Повышение температуры среды камеры со скоростью более 60 °С/ч независимо от начальной прочности бетона, не рекомендуется.

Рис. 8.1 – Графики режимов тепловой обработки бетонов:

а — варианты режима тепловой обработки; б — прогреваемость изделий различной толщины; в — ступенчатый режим тепловой обработки

При коротком предварительном выдерживании (до 1 часа) температуру рекомендуется поднимать с постоянно возрастающей скоростью, например, в первый час — 10-15 °С, во второй — 15-20 °С, в последующий 25-35 °С и т. д. независимо от толщины изделия.

При техническом затруднении выполнения режимов с постоянно на­растающей скоростью подъема температуры среды камеры рекомендуется применять режимы со ступенчатым подъемом температуры, например, за 1-1,5 ч подъем температуры до 30-40 °С, выдерживание при этой температу­ре в течении 1-2 ч., а затем интенсивный подъем температуры до максималь­но принятой на 1-1,5 ч. Если изделие загружают в пропарочную камеру с температурой 30-35 °С, то выдерживание в ней без подачи пара в течение 1,5-2 ч равноценно первой ступени подъема температуры.

Оптимальная температура изотермического прогрева при использо­вании портландцементов 80-85 °С. При использовании шлакопортландцементов температура прогрева может быть принята равной 90-95°С.

Длительность изотермического выдерживания при пропаривании на­значают в зависимости от требуемой прочности бетона изделий (распалубочной, передаточной, отпускной) сразу после выдерживания бетона или с учетом прироста прочности при последующем твердении при положитель­ных температурах в цехе или на складе в возрасте до 1 суток.

Оптимальная температура при изотермической выдержке изделий на основе портландцемента мало - и среднеалюминатных (с содержанием С3А менее 8%) - 80°С, на высокоалюминатном порт­ландцементе – 60 0С, на шлакопортландцементе – более 90 °С.

Ускорение процесса твердения осуществляют применением быстротвердеющих цементов высоких марок, механохимической активацией вяжущих, применением жестких бетонных смесей и добавок - ускорителей твердения.

Скорость охлаждения изделий в камере после отключения подачи па­ра не должна превышать 30-40 °С/ч в зависимости от массивности изделия. С целью снижения деструкции бетона, с требованием по морозостойкости, скорость снижения температуры должна быть не более 15-20 °С/ч.

Согласно ГОСТ цементы по эффективности использования при пропаривании подразделяются натри группы (табл. 8.1).

Таблица 8.1 – Виды и группы цементов

Рекомендуемые режимы тепловлажностной обработки в зависимости от толщины бетона изделий для двух оборотов тепловых установок в сутки из тяжелого бетона на портландцементах II группы после 12-часового последующего выдерживания даны и табл. 8.2, для легких – в табл. 8.3.

Таблица 8.1 – Режимы тепловой обработки изделий из тяжелого бетона при темпера­туре изотермической выдержки 80-85 °С

Класс (прочность) бетона	Режим тепловой обработки, ч при толщине в изделии, мм
До 160	До 300	Более 300
В 15(20)	11(3,5+5,5+2)	12(3,5+6,5+2)	13(3,5+6,5+3)
В22,5(30)	9(3+4+2)	10(3+5+2)	11(3,5+5+2,5)
В30(40)	8,5(3+3,5+2)	8,5(3+3,5+2)	10(3+4,5+2,5)
В37,5(50)	7(3+3+1)	9(314+2)	10(3+4,5+2,5)
В45(60)	7(3+2+2)	8(3+3+2)	9(3+3,5+2,5)

Таблица 8.3 – Режимы тепловой обработки изделий из легких бетонов (отпускная прочность бетона 70-80% проектной)

Предварительно напряженные конструкции, изготовляемые на стендах, рекомендуется подвергать тепловой обработке по режиму, ч:

- подъем температуры до 80 0С.................... 7

- изотермическое выдерживание при 80 0С 6,5

- остывание. ,................................................ 1,5

На заводах ЖБИ широко применяется тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий в ямных пропарочных камерах, в горизонталь­ных и вертикальных камерах непрерывного действия.

Ямные камеры периодического действия - полностью или частично заглублены в иол или напольные. Основными элементами являются стенки, пол с канализацией для стока, крышки с гидравлическим затвором и систе­ма паропроводов с запорной и регулировочной арматурой для подачи пара в камеру.

Камеры работают по определенному циклу, в течение которого изде­лия предварительно проходят все три этапа тепловой обработки - разогрев, изотермический прогрев и охлаждение.

Пар поступает в камеру через закольцованную перфорированную трубу, расположенную у пола камеры по ее периметру. Поднимающийся пар смешивается с воздухом и образует паровоздушную смесь. При таком рас­пределении пара трудно создать равномерное распределение температуры по всему объему. Создастся перепад температуры по высоте (до 30-40°С). Наиболее высокая температура вверху, а наиболее низкая - внизу. Изделия, находящиеся в нижней части камеры, оказываются в менее благоприятных условиях.

Более совершенный тип ямной камеры, представлен на рис. 8.2, от­личающийся тем, что в ней имеется внизу, так называемая, образная труба для отвода паровоздушной смеси или избытка насыщенного пара, а также тем, что кроме нижней разводки пара в ней предусмотрена верхняя развод­ка. Это позволяет производить пропарку не только в паровоздушной среде, но и в среде насыщенного пара без примеси воздуха. Для этой цели на на­чальной стадии тепловой обработки подают пар через нижнюю разводку. По достижении температуры 80-90 °С нижняя разводка отключается и пар подается через верхнюю разводку. Постепенно камера заполняется только паром, что позволяет достичь температуры в камере близкой к 100 °С. Со­здаются благоприятные условия твердения во всем объеме камеры.

Рис. 8.2 – Пропарочная камера системы : 1- паропровод; 2 ,3 - нижние и верхние перфорированные трубы; 4 - обратная труба; 5 - гидравлический клапан; 6 - контрольный конденсатор; 7 - водопроводная труба; 8 - трубопровод подогретой воды, 9 - уплотнение

Тепловые установки непрерывного действия представляют собой многоярусные туннельные, щелевые и вертикальные камеры.

Туннельные камеры непрерывного действия это горизонтальные тун­нели, в которых по рельсовому пути передвигаются вагонетки с изделиями. Загружают и выгружают вагонетки с изделиями с помощью портальных подъемников и снижателей. Туннельные камеры выполняют, как правило, многоярусными (от 1 до 6 ярусов). Теплоносителем может быть пар, а так­же паровоздушная смесь, подогреваемая в калориферах. Камеры имеют три зоны: подъема температуры, изотермического прогрева и охлаждения. Зоны отделены одна от другой тепловыми воздушными завесами. Недостатком этих камер является большая потеря тепла через торцы.

Щелевые камеры имеют несколько иную форму, их высота в 4-6 раз меньше ширины. Они оборудованы системами пароснабжения и электрона­гревателями. Эффективность этих камер обусловлена меньшими потерями тепла (рис. 8.3).

Рис. 8.3 – Горизонтальная щелевая камера: 1 - вагонетка с изделием в форме; 2 - снижатель; 3 - механическая штора; 4 - рельсы; 5 - герметизирующая штора; 6 – подъемник

В вертикальных камерах (рис. 8.4) изделия в формах-вагонетках спе­циальными подъемниками сначала перемещают вверх через различные зо­ны тепловой обработки, затем опускают вниз и выгружают из камеры. В вертикальных камерах используют естественное расслоение пара и воздуха по высоте. В верхней части, где находится пар, температура поддерживает­ся около 100 °С. Нижняя часть камеры, заполненная паровоздушной средой, температура которой при опускании изделий снижается до 30-35 0С. Верти­кальные камеры, по сравнению с многоярусными туннельными, имеют в 5-6 раз меньший объем, более низкий расход пара (100-120 кг/м3).

Рис. 8.4 – Вертикальная камера термообработки бетона: 1 - строительная коробка; 2 - рама механизма подъема; 3 - направляющие; 4 - откидные кронштейны; 5 - привод конвейера; 6 - верхняя передаточная тележка; 7 - привод передвижения передаточной тележки

Контактный обогрев. Сущность тепловой обработки путем контактного обогрева заключа­ется в том, что изделие, нагреваясь в результате непосредственного контак­та с горячей средой, в то же время отделено от нее плотно - и влагонепрони­цаемыми перегородками, исключающими возможность внагообмена между средой и бетонным изделием.

Применяются два способа контактного обогрева. В первом случае теплоноситель (острый пар, перегретая вода под давлением, масло, горячие газы) циркулирует в замкнутом пространстве, которое примыкает с одной или с двух сторон к изделию. Например, в кассетных формах, пакетировщиках (рис. 8.5, 8.6).

Второй способ заключается в том, что изделие, закрытое со всех сто­рон, помещают в среду, в которой циркулирует теплоноситель, например, тепловая обработка в вибропрокатном стане.

Рис. 8.5 – Схема кассетной формы: 1 - груба для подачи пара; 2 - перфорированная труба; 3 - поперечный борт; 4 - труба для отвода конденсата; 5 - упор; 6 - поддон; 7 - замок; 8 - продольный борт; 9 - разделительная перегородка; 10 - проушина для снятия борта с поддона; 11 - проушина шарнирного устройства крепления борта

Кассетные установки (рис. 8.5) представляют собой блок вертикаль­ных форм, разделенных тепловыми отсеками. В верхней и нижней частях тепловых отсеков размешается разводка перфорированных труб, через кото­рые острый пар или иной теплоноситель равномерно распределяется по всей площади заформованных изделий. В связи с незначительной площа­дью открытой поверхности бетона в кассетах допускается большая ско­рость подъема температуры (60-70 °С/ч). Изделия можно прогревать без предварительной выдержки. Однако для изделий характерна неравнопрочность в различных местах по высоте. Эго вызвано различной интенсивно­стью прогрева. Зоны, близкие к месту ввода пара, нагреваются быстрее.

Рис. 8.6 – Конструкция пакетировщика: 1 - направляющая стойка; 2 - гидродомкрат, 3 - траверса, 4 - тумба, 5 - упор-отсекатель

Рекомендуемые режимы тепловой обработки изделий в кассетных установках представлены в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Режим тепловой обработки изделий из тяжелых бетонов » кассетах (при расположении паровых отсеков через два рабочих отсека), в пакетах

Толщина бетона в изделиях, мм	Класс (прочность) бетона	Режим тепловой обработки при 80-90 °С, ч
До 100	В12,5(15)	1+4+4=9
101-200	В12,5(15)	1+5+5=11
До 100	В 15(20)	1+3,5+3,5=8
101-200	В 15(20)	1+4+4,5=9,5
До 100	В25(35)	1+3+3=7
101-200	В25(35)	1+3,5+4,5=9

Другим представителем установок для контактного обогрева изделий являются горизонтальные термоформы. В отличие от вертикальных термоформ при тепловой обработке в горизонтальных формах достигается боль­шая равномерность прогрева изделий. Из горизонтальных перемещаемых термоформ собирают пакеты с помощью специального устройства - пакети­ровщика (рис. 8.6).