Моб.: +38 067 537 17 20
Тел.: 8(044)23-23-920
E-mail: alpha-prime@ukr.net

Главная» Пенобетон» Статьи о пенобетоне» ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ТВЕРДЕНИЯ ПЕНОБЕТОНОВ В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ

 
 

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ТВЕРДЕНИЯ ПЕНОБЕТОНОВ В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ

 Одним из основных факторов, от которых зависит качество пенобетонных изделий, является правильно подобранный режим твердения изделий. Как правило, на производстве для увеличения использования форм используют ускоренный режим твердения пенобетонных изделий, в т.ч. за счет пропаривания пенобетона, основываясь на опыте тепловлажностной обработки тяжелых бетонов.

      В тоже время, исследования, проведенные в 50-х годах и подробно описанные в технической литературе, свидетельствуют, что не все закономерности, установленные для пропаривания тяжелых бетонов, применимы для легких бетонов со средней плотностью ниже 1000 кг/м3.

      Авторы указывают, что нормальный ход процесса формирования физической структуры твердения пенобетона, содержащего от 50 до 80% пор по объему, могут нарушить следующие факторы: давление воздуха в порах; миграция воды под влиянием температурного градиента, приводящая к деструкционным явлениям и влажностной усадке массива; различие коэффициентов термического расширения компонентов пенобетонной смеси; набухание материала при конденсации пара на его поверхности.

      Рассмотрим подробно процесс тепловой обработки пенобетона и процесс гидратации цемента.

Влияние нагрева на структурообразование пенобетонов

      Структурообразование в твердеющем пенобетона при нагреве является комплексным процессом, состоящим из конструктивных и деструктивных элементов. Основными деструктивными элементами являются: тепло- и массообмен во влажных пористо-капиллярных телах и напряжения, вызываемые температурным расширением материала.

      В раннем возрасте при нагреве твердеющего пенобетона возникают миграционные потоки воды по направлению теплового потока. Эти потоки под избыточным давлением, возникающем в порах материала, вызывают нарушение структуры твердеющего пенобетона.

      Для пенобетонов, аналогично тепловой обработке тяжелых бетонов, можно выделить четыре основных периода.

      Первый период – пенобетонная смесь до прогрева. Темпера воздуха в пузырьках одинаковая, равная температуре смеси. Избыточное давление воздуха в пузырьках зависит от размера пузырьков, их количества и поверхностного натяжения пенообразователя.

      Второй период – нагрев изделий до температуры изотермического нагрева. В прогреваемой конструкции возникает температурный градиент. Температура воздуха в пузырьках в поверхностном слое выше, чем в пузырьках, находящейся в центральной части массива. При прочих равных условиях избыточное давление на стенки межпоровых перегородок направлено от поверхности к центру. Величина давления определяется величиной температурного градиента, размером конструкции по направлению прогрева, размером воздушных пузырьков и их количеством. Чем ниже проектная плотность пенобетона, тем ниже его теплопроводность, тем выше температурный градиент.

      Третий период – выравнивание температуры по сечению конструкции и изотермический прогрев. Температура и давление воздуха в пузырьках по сечению массива медленно выравниваются, но давление в порах больше первоначальных. В этот момент в верхних слоях может происходить прорыв воздуха из пор и образование открытых пор. Стойкость каркаса смеси, противостоящая прорыву воздушных пузырьков, зависит от прочности структуры цементного камня в межпоровых перегородках, достигнутой до нагрева.

      Четвертый период – охлаждение изделий до температуры окружающей среды. В этот период температурный градиент меняет свое направление – от центра к поверхности. Идет быстрое снижение давления в верхних слоях изделий.

      Изменение температурного градиента сопровождается массопереносом. Влажностный режим в прогреваемой конструкции значительно влияет на величину и направление потенциала переноса жидкой фазы. Совпадение направлений температурного и влажностного градиентов вызывает рост интенсивности потока мигрирующей влаги.

      В первый период прогрева при наличии температурного градиента по сечению образца влага мигрирует по направлению температурного потока: от поверхности к центру. При этом пар конденсируется на поверхности изделий и переувлажняет ее. Конденсация пара происходит и внутри пор материала. Обводнение пенобетона сопровождается увеличением его массы на 2-4% и объема. Увеличение объема, вызываемое осмотическими силами набухания цементного геля, происходит очень быстро: уже через 1-5 мин. Оно достигает максимума.

      При набухании происходит нарушение структуры. Это набухание может быть тем меньше, чем больше предварительная выдержка пенобетона перед тепловлажностной обработкой. Конденсация пара на поверхности будет происходить до тех пор, пока температура поверхности изделий не станет больше температуры точки росы для окружающей паровоздушной смеси.

      Влияние защиты от увлажнения конденсатом на интенсивность деструкции изучалась различными авторами Горяйнов К.Э. и Векслер Е.С. в работе «Деструкция в твердеющем бетоне раннего возраста при нагреве и способы уменьшения ее интенсивности» отмечают, что укрытие образцов полиэтиленовой пленкой незначительно изменяло температурный режим в них, но резко снижало внутренние избыточные давления в первый период прогрева, что повысило прочность образцов на 10-23%.

      К концу прогрева при выравнивании температуры по сечению воздействие давления на жидкость меняется, и жидкость мигрирует от центра к поверхности. В этот период более высокая температура пенобетона по сравнению с температурой среды вызывает испарение воды до 30% от общего количества, ухудшение структуры за счет влажностной усадки, особенно по ребрам и углам блоков, снижение физико-механических свойств бетона.

      При тепловой обработке в результате температурного расширения бетон увеличивается в объеме. При этом материалы, входящие в состав бетона, имеют разные коэффициенты температурного расширения. В температурном интервале 0 - 60 С. Коэффициент температурного расширения кварца, по данным Джонсона и Парсона, составляет 12•10-6К-1, что очень близко по значению к цементному камню, по этому в пенобетонах температурное расширение твердых компонентов не должно приводить к созданию напряжений. По данным З. Рейнсдорфа, коэффициенты объемного расширения при температуре 60 - 80 С (в 10-6м33 С) равны:

- влажный воздух 4000 - 9000;
- вода 520 - 640;
- затвердевший цементный камень 40 - 60.

      Температурное расширение воды не должно вызывать значительных деструкций цементных перегородок, поскольку абсолютный прирост объема жидкости при 40-70 С составляет 0,66 – 0,75% и эта избыточная вода свободно может размещаться в воздушных порах материала.

      В начальный период процесса нагревания свежесформованного пенобетона заключенный в его порах воздух расширяется по закону Гей-Люссака в 1,2 – 1,3 раза и оказывает давление на стенки пор. Величина давления расширяющегося в порах воздуха при 40-70 С и влажности пенобетонной смеси 30 – 40% составляет около 0,02 МПа, т.е. соизмерима с микронапряжениями в структуре пенобетона.

      Температурное поле в период разогрева в изделиях из бетона отличается наибольшей разницей температур по сечениям.

      В работе «Ускорение твердение бетона. Пропаривание бетона в заводских условиях» Миронова А.С, Малининой Л.А. приведены результаты распределения температуры при пропаривании блоков размером 2390х1390х350 мм. изготовленных из керамзитобетона средней плотности 900 – 950 кг/ м3 , сравнимой с плотностью пенобетонных изделий.

      Результаты этих исследований показывают, что нагрев блока из керамзитобетона идет медленно, и в центре блока температура достигает температуры в камере только через 6 ч. В этих опытах после 10 ч. Пропаривания блоки вынимали из камеры и оставляли в помещении цеха при температуре окружающего воздуха 10-19 С. При этом было отмечено, что температура в центре блока, несмотря на более низкую температуру в помещении, продолжала повышаться и достигала 88 С. Эта температура, постепенно понижаясь до 80 С в центре блока держалась около 6 ч., а затем медленно понижалась примерно на 2-3 С в час.

      По мнению Шахова Л.Д. и Черноситова Е.С., это объясняется тем, что процесс нагрева изделий из цементного бетона обязательно сопровождается тепловыделением цемента при его гидратации. В процессе пропаривания после 3 ч в бетонной смеси начинается активный каталитичекий процесс гидратации цемента, в результате которого выделившееся тепло идет на разогрев массива блока. Даже после окончания процесса подвода тепла к образцу за счет низкой теплопроводности самого материала процесс остывания длится продолжительное время. Процесс тепловыделения зависит от температуры твердеющего бетона, минералогического состава и тонкости помола самого цемента, удельного его расхода на 1 м3 .

      Для пенобетона со средней плотнотью ниже 900 кг/ м3 быстрый процесс нагрева опасен, поскольку цемент еще не успел сформировать достаточно прочный камень. Наибольшие изменения в структуре возникают, если нагрев начинается сразу после окончания формирования изделия, когда температурные деформации ничем не ограничены. В этом случае, чем быстрее растет температура в массиве бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличивается остаточная деформация. Таким образом, в течении первого часа необходимо, чтобы скорость нагрева массива не превышала 5-6/ч. Медленный разогрев пенобетона позволит избежать резкого напряжения деструктивных напряжений, возникающих в результате давления воздуха в порах. В дальнейшем скорость нагрева может быть повышена.

      Существенное влияние на процессы структурообразования в пенобетоне оказывает температура и время изотермической выдержки изделий. Время изотермической выдержки зависит от температуры, состава пенобетонной смеси, а также от плотности свежеуложенного массива. Определяющими факторами, ограничивающим длительность изотермической выдержки, является скорость упрочнения изделий и время, за которое изделия приобретают минимальную распалубочную прочность.

      Как указывают Миронов А.С и МалининаЛ.А., пористые бетоны очень медленно нагреваются за счет своей низкой теплопроводности, но также медленно отдают тепло. Поэтому авторы предлагают для тепловлажностной обработки пористых бетонов при достижении температуры изотермической выдержки просто отключать подачу тепла, а твердение производить за счет аккумулированного тепла в массе бетона и изотермического тепла в процессе гидратации.

      Шахов Л.Д., Черноситов Е.С. провели исследование влияния на прочностные показатели режима твердения пенобетона средней плотности 300 кг/ м3 , изготовленного из портладцемента ПЦ550-Д0 без заполнителя. Из переменных факторов исследовались длительность выдержки до пропаривания и время изотермической выдержки. Температура в тепловой камере была 80 С, образцы в камере находились в металлической форме.

      Как показали результаты, самую низкую прочность имели образцы, которые после часовой выдержки в нормальных условиях были подвергнуты тепловой обработке. Эта прочность составляла всего 17% от максимальной прочности, достигнутой образцами при твердении по режим 7.

      Авторы указывают, что образцы, пропаренные по режимам 1-3, имели сильные деформационные изменения из-за низкой прочности цементного камня в межпоровых перегородках. Поверхность образцов была вспучена, на поверхности отмечены трещины. Вероятно, что к понижению прочности привело разрыхление структуры пенобетона, возникновение трещин в межпоровых перегородках, и быстрое высыханию образцов за счет повышенного тепломассообмена.

      Результаты исследования показывают, что наилучшим режимом тепловлажностной обработки для пенобетонов является доведение до температуры в камере до 80-90 С без экзотермической выдержки с предварительной выдержкой после заливки в естественных условиях в течение 24 ч. (режим 7). Режимы 8 и 9 не давали значительного повышения прочности с увеличением времени экзотермической выдержки, а в возрасте 28 суток прочность образцов не достигала прочности образцов, подвергнутых обработке по режиму 7. Авторы считают, что, вероятно, длительная выдержка при высокой температуре ослабляла прочность межпоровых перегородок из-за интенсивного тепломассообмена.

      Отметим, что прочность образцов, твердеющих в нормальных условиях без тепловой обработки, был незначительно ниже, чем после тепловлажностной обработки, но в 28-суточном возрасте она превосходила прочность образцов, подвергнутых обработке.

Нерациональное охлаждение может вызвать макродефекты изделий из пенобетонов

       Следующий процесс, заслуживающий особое внимание при производстве изделий из пенобетона, это – охлаждение изделий после тепловой камеры. Температурные градиенты, которые возникают при охлаждении, являются наибольшими и могут приводить к заметным деструктивным изменениям.

      При остывании изделий температурные градиенты в теле изделий вызывают усадочные напряжения, связанные как с процессом высыхания (влажностная усадка), так и с температурной усадкой. Все это обуславливает образование поверхностных трещин, т. е. необратимых макродефектов. В тоже время, как принято считать, микроструктура пенобетона на этом этапе страдает существенно меньше

Влияние тепловой обработки на формирование цементного камня

Известно, что при равных всех прочих условиях, физико-механические условия изделий из пенобетона предопределяет структура цементного камня, сложившаяся при схватывании. Как установлено («О структуре цементного камня при ускоренном пропаривании» Кравченко И.В., Власова М.Т.), на свойства цементного камня после тепловой обработки в большей мере влияет не фазовый состав продуктов гидратации, а физические изменения в структуре, которые вызываются тепловым расширением составляющих бетона.

По мнению исследователей, процесс твердения пенобетона на портландцементах определяется главным образом следующими факторами:
     - скоростью и глубиной гидратации цемента;
     - составом гидратных новообразований;
     - структурой и плотностью пенобетона.

Скорость и глубина гидратации цемента в соответствии с положениями физической химии зависит от минералогического состава цемента, т.е. массовой доли содержания основных клинкерных минералов и количества гипса; тонкости помола; содержания технологических добавок (ускорителей, пластификаторов); водоцементного отношения и температуры среды.

По набору прочности при твердении в нормальных условиях в возрасте 28 суток минералы образуют следующий ряд: C3S>C4AF>C3A>C2S. Но скорость процесса гидратации отдельных клинкерных минералов в нормальных условиях и при повышенных температурах несколько отличается. При повышенных температурах самую высокую абсолютную прочность имеют образцы из минерала C4AF, затем из C3S. Образцы из C3A имеют низкую прочность. Это связано с тем, что при температуре выше 25 трехкальциевый алюминат при твердении образует кубическй шестивдный гидроалюминат кальция, обладающий незначительной прочностью. Относительная прочность образцов из основного клинкероного минерала трехкальциевого силикта C3S после пропаривания составляет всего 45%, т.е. активность его испольлзуется незначительно. В зависимости от содержания в линкере трехкальциевого алюминаа в соответствии с ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент» все цементы делят на три группы по активности пропаривания:

      группа 1 – низкоалюминатные;
      группа 2 – среднеалюминатные;
      группа 3 – высокоалюминатные.

     Скорость твердения цементов 1-й группы максимальна, цементов 3-й группы – минимальна.

По содержанию двух клинкерных минералов – алита и трехкальциевого алюмината Феднер Л.А. и Никифоров Ш.М. («Роль цемента в формировании свойств бетонных смесей и бетонов») делят цементы по эффективности влияния ПАВ на свойства растворов и тяжелых бетонов на три группы:

     группа 1 – C3A < 6 мас. %, C3S > 50 мас. %;
     группа 2 – C3A 7-10 мас. %, C3S > 40 мас. %;
     группа 3 – C3A > 10 мас. % C3S < 40 мас. %;

Как показывают различные исследования, такой же принцип деления по эффективности применим для цементов в технологии производства пенобетона. Так как трехкальциевый алюминат на своей поверхности хорошо адсорбирует молекулы пенообразователя, что снижает поризацию цементного раствора, то наиболее эффективным для изготовления пенобетонов являются цементы 1-й группы с высоким содержанием алита и низким содержанием трехкальциевого алюмината. Это обеспечивает достаточно быстрые сроки схватывания и интенсивное тепловыделение при гидратации при правильно выбранном тепловлажностном режиме схватывания и твердения. Наилучшие результаты при изготовлении теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью ниже 500 кг/ м3 можно получить при использовапнии быстротвердеющих и высокопрочных цементов с содержанием алита 60-65 мас. % и тонкостью помола до 400 м2/кг.

  • роль эндогенного тепла в твердении цементного камня

      В процессе гидратации цемент выделяет значительное количество тепла именно в момент схватывания.

       Технологические добавки могут, как ускорять процесс схватывания и твердения, так и замедлять его. Наиболее известный ускоритель твердения – хлористый кальций ускоряет процесс тепловыделения цемента в два раза в тяжелых бетонах, твердеющих при нормальных температурах. По данным Миронова А.С. и Малининой Л.А., в образцах, предварительно разогретых до 50 и 80 С, добавка CаCl2 не оказала никакого влияния на величину и время достижения максимальной температуры экзотермии. Эксперименты Шахова Л.Д., Черноситова Е.С показали, что введение пенообразователей несколько сдерживает процесс тепловыделения цемента. В частности. Тепловыделение поризованного цементного камня на синтетическом пенообразователе снизило интенсивность тепловыделения в первоначальный период на 14-20%.

  • влияние толщины помола цемента на процесс тепловыделения

       Исследования влияния толщины помола цемента на процесс тепловыделения показали, что теплота гидратации цемента за первые 10 ч. Увеличилась более чем в 2 раза при повышении степени дисперсности цементного порошка с 350 до 600 м2/кг. То есть за первые трое суток твердения при нормальных условиях удельное тепловыделение увеличивается примерно на 4,2 кДж/кг цемента при увеличении удельной поверхности на 1,8 м2/кг. Товарные портландцементы выпускают с удельной поверхностью 280-320 м2/кг. Таким образом, использование портландцемента с удельной поверхностью 320 м2/кг позволяет повысить тепловыделение на 90 кДж/кг, по сравнению с портландцементом с наиболее низкой удельной поверхностью.

  • водоцементное соотношение, как фактор, влияющий на прочность пенобетонов

Наиболее полно гидратация протекает у цементного теста с высоким водоцементным отношением, так как вода, удерживаемая в пенных пленках, вода заполнения пор геля и сорбированная вода не участвуют в процессе гидратации. Влияние водоцементного отношения на примере крупнопористого бетона характеризуется тем, что крупнопористые пенобетоны с увеличением водоцементного отношения в процессе пропаривания увеличивают свою прочность. Это связано с тем, что процессе твердения при повышении температуры особенно для поризованных бетонов происходит сильное высыхание образцов, вплоть до полного обезвоживания, что может в дальнейшем прекратить процесс твердения. Обычно пенобетонные смеси в зависимости от проектной средней плотности имеют В/Ц = 0,38 – 0,6. Такое количество воды в смеси необходимо для получения пеноцементной массы определенной подвижности, так как часть воды удерживается пенными пленками. Чем ниже средняя плотность пенобетона, тем больше воды удерживается пенной структурой

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все вышеперечисленные особенности ускорения твердения пенобетонов обязательно необходимо учитывать при выпуске конструкционных пенобетонов со средней плотностью выше 800 – 900 кг/ м3 . При выпуске пенобетонов со средней плотностью ниже 600 кг/ не рекомендуется прибегать к тепловой обработке изделий. Как правило, пенобетоны такой низкой плотности производят без применения заполнителя на высокоактивных быстротвердеющих цементах. Расход цемента на 1 м3 пенобетона составляет в зависимости от плотности до 520 кг/ м3 при В/Ц = 0,4. при таком высоком содержании цемента тепловыделение может достигать 167 – 210 кДж на 1 м3 пенобетона, что равноценно повышению температуры пенобетона на 70 – 90 С.

Как показала практика, выпуск пенобетона со средней плотностью 400 – 500 кг/ м3 на быстротвердеющем цементе с содержанием алита 62 мас. % и трехкальциевого алюмината – 6,4 мас. %, при твердении изделий температура в центре блоков с размерами 1300х1300х600 мм повышалась до 70-90 С. Повышение температуры массивных пенобетонных блоков до таких значений отмечалось после выдерживания их в форме 8 – 12 ч. Даже без тепловой обработки. Просим обратить внимание, что при изготовлении пенобетонов это тепловыделение при гидратации цемента часто не используется рационально. Обычно изделия из пенобетона твердеют в металлических формах в условиях неотапливаемого цеха с открытой поверхностью. Стенки формы за счет высокой теплопроводности (коэффициент теплопроводности металла при температуре 80 С – 57 Вт/(м С); пенобетона средней плотности 400 кг/ м3 – 0,1 Вт/(м С)) быстро отводят тепло от поверхности пенобетона. К быстрому высыханию изделий также приводит большая разница температур в цехе и в массиве. Изделия могут потерять в зависимости от плотности от 30 до 40% всей воды. Миграция влаги может привести к возникновению направленной капиллярной пористости, а высыхание – к микронапряжениям (влажностная усадка). Особенно это заметно, когда пенобетонные блоки после распалубки находятся в цехе. Наилучшие условия для твердения пенобетонов создаются в камерах термосного типа. При этом в первоначальный период цемент в межпоровых перегородках будет набирать прочность, необходимую для противодействия расширяющемуся воздуху. Выделяющегося при гидратации цемента тепла вполне хватит для саморазогрева массива без дополнительного подвода тепла. Тепловыделение цемента начинается через 6 – 8 часов твердения. За счет низкой теплопроводности материал может долго сохранять тепло внутри массива. Время выдержки в тепловой камере должно подбираться в зависимости от проектной средней плотности и вида используемого цемента.

       После выдержки в тепловой камере пенобетон также нуждается в правильном уходе. Быстрое высыхание открытых поверхностей, ребер и углов блоков ведет к образованию микротрещин, и в дальнейшем к их откалыванию. Нельзя хранить блоки в проветриваемых помещениях, на открытом складе, при попадании прямых солнечных лучей. В тоже время, негативное влияние этих факторов можно снизить, если сразу после укладки пенобетонной смеси в форму ее укрыть полиэтиленовой пленкой, которая предотвратит высыхание изделий с поверхности, конденсацию влаги из паровоздушной смеси, ускорит достижение точки росы, снизит миграционные прочесы и потери тепла из пенобетонной смеси.

       Обращаем Ваше внимание на то, что каждому предприятию, кроме всех перечисленных особенностей твердения пенобетонов и приведенных рекомендаций, необходимо опытным путем подбирать режимы твердения пенобетонов с учетом используемого сырья, проектной средней плотности, климатических условий и созданных на предприятии технологических переделов.