Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций

Раздел: Строительство

Скорость нарастания прочности при твердении бетона в естественных условиях зависит от активности цемента, температуры окружающей среды, расхода цемента и количества воды затворения. Сформованные изделия на основе портландцемента при 15—20°С твердеют очень медленно. Для ускорения твердения бетона применяют способы, которые можно разделить на технологические, химические и тепловые.

Технологические способы ускорения твердения предусматривают увеличение расхода цемента, использование быстротвердеющих и особобыстротвердеющих цементов высоких марок, снижение отношения В/Ц, вибродо- мола цемента, применение специальных способов укладки и уплотнения смесей (прессования, вакуумироваиия ит. п.). Однако эти приемы, как правило, сопряжены с усложнением производственного процесса.

Химические способы ускорения твердения основаны на введении в смесь химических добавок (электролитов)— хлоридов (кальция, натрия, аммония, железа, алюминия), сульфатов кальция и натрия, щелочей или солей щелочных металлов (соды кальцинированной, квасцов калиевых и алюминиевых), жидкого стекла, кристаллических затравок (тонко измельченных частиц гидратированного цемента) и др. Наиболее изученная добавка — хлористый кальций (СаС12), который вводится в виде раствора в воду затворения при приготовлении смеси для неармированных конструкций в количестве до 3 % от массы цемента в пересчете на безводную соль. Большее количество добавки может привести к быстрому схватыванию цемента и увеличению усадки цементного камня.

При изготовлении железобетонных изделий, армированных стержневой арматурой, допустимое количество добавки хлористого кальция снижается до 1,5—2 %, а армированных высокопрочной проволокой — до 0,5%, ввиду возможной коррозии стальной арматуры. Заметное ускорение твердения портландцемента при введении добавки хлористого кальция наблюдается в одно-двухсуточном возрасте, при этом прочность бетона при сжатии увеличивается на 50—100 % по сравнению с бетоном без добавки. В более поздние сроки эффект ускорения замедляется, а к 28 сут нормального твердения превышение прочности такого бетона составляет 10—15 % по сравнению с бетоном без добавок.

В последние годы стали широко применять комплексные добавки — ускорители твердения: нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит-нитрат хлорида кальция (ННХК) и Na2S04 совместно с ННХК. Эти добавки позволяют в 2 раза сократить продолжительность тепловой обработки бетона и не вызывают коррозии стальной

арматуры. Перспективны также комплексные добавки, представляющие собой сочетание добавок-ускорителей твердения с пластифицирующими добавками и суперпластификаторами.

Технологические и химические способы ускорения твердения бетона можно использовать далеко не в каждом случае и не для каждого вида изделий. Кроме того, эти способы не решают проблемы ускорения твердения при заводской технологии производства железобетонных изделий и используются чаще как вспомогательные. Целесообразность и возможность применения каждого из них должна обосновываться с учетом экономических, технологических и эксплуатационных показателей.

Тепловые способы ускорения твердения бетона являются в настоящее время наиболее эффективными и универсальными, а потому широко применяемыми в производстве сборных железобетонных изделий и конструкций. К таким способам относят: пропаривание при атмосферном давлении и повышенных температуре и влажности окружающей среды, запаривание при повышенных температуре, давлении и влажности в автоклавах, контактный обогрев, электротермообработка (электропрогрев, электрообогрев, индукционный нагрев), предварительный разогрев бетонной смеси (при так называемом горячем формовании). Первые два способа называют тепловлажностными.

Сущность тепловлажностных способов обработки бетонных и железобетонных изделий заключается в том, что при повышенной относительной влажности окружающей среды (более 95%) и температуре 60—100°С и более скорость реакций гидратации цемента увеличивается (в 10—20 раз), процесс твердения бетона ускоряется, и изделия в более короткий срок приобретают прочность, необходимую для их расформовки, транспортирования и монтажа.

Основные способы ускорения твердения бетона, позволяющие получить необходимую прочность бетона за 2,5—14 ч, — пропаривание в камерах при температуре до 100 °С и атмосферном давлении и запаривание в автоклавах при температуре насыщенного водяного пара 175—200 °С и давлении 0,9—1,3 МПа. Отличительная особенность этих способов—интенсивный влаго- и теплообмен между тепловлажностной средой и бетоном.

Контактный обогрев бетона в кассетах, пакетах и термоформах осуществляют путем его контакта с нагретой теплоносителем (острым паром, перегретой водой и др.) формой, ее отдельными элементами или перегородками, при этом исключается возможность влагообмена между тепловой средой и бетоном.

Электротермообработка осуществляется путем электропрогрева бетона при включении его непосредственно в электрическую цепь в качестве активного сопротивления, электрообогрева — при использовании электронагревателей, либо индукционного нагрева — при использовании электромагнитных или электроиндукционных камер, на внутренней или наружной (соответственно) поверхности которых смонтирована электрообмотка.

Предварительный разогрев бетонной смеси с целью сокращения продолжительности или полного исключения тепловлажностной обработки изделий при термосном выдерживании их производят путем подачи пара в бетоносмеситель или другие подогревающие устройства.

Тепловые способы ускорения твердения бетона требуют дополнительных топливно-энергетических затрат. По статистическим данным только на тепловлажностную обработку железобетонных изделий и конструкций в нашей стране ежегодно расходуется более 12 млн. т условного топлива. Однако в настоящее время нет других, менее дорогих и вместе с тем достаточно эффективных и надежных способов.

Тепловлажностная обработка бетона в общем цикле производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций составляет 70—80 % времени. Длительность тепловой обработки должна обеспечивать необходимую отпускную (передаточную или распалубочную) прочность при сжатии изделий из легкого и тяжелого бетона классов В 15 и более — не менее 50%; изделий из бетона класса В 10 и последующих классов тяжелых бетонов— не менее 70% и легких бетонов — 80%. Для отдельных видов изделий и несущих конструкций в холодный период года отпускная прочность бетона должна быть равной его проектному классу, т.е. 100%. Такая прочность достигается удлинением тепловлажностной обработки, а при сохранении той же продолжительности тепловой обработки приводит к необходимости увеличения расхода цемента от 50 до 200 кг на 1 м3 бетона. Таким образом, продолжительность тепловлажностной обработки не только определяет затраты энергии на про- паривание и запаривание, но также существенно влияет на расход цемента и оборачиваемость форм и их количество.

Режим тепловлажностной обработки, определяемый совокупностью температуры, давления и влажности окружающей среды, оказывает существенное влияние на свойства готовых изделий. Он устанавливается в соответствии с нормами технологического проектирования для каждого вида изделия и типа применяемой установки.

Для повышения температуры твердеющего бетона используют источники тепловой энергии: насыщенный водяной пар, горячий воздух и отходящие газы, электроэнергию, тепловую энергию солнца, горячую воду или другие жидкости. Передача теплоты от источника изделию может осуществляться в результате конвекции — при преобладающем контакте открытой поверхности изделия с теплоносителем, кондукции — при контакте теплоносителя с формой и передачей теплоты бетону через стенки или другие элементы формы, поглощения лучевой энергии (инфракрасных излучений). Кроме того, теплота может образовываться в изделии в результате пропускания через бетон электрического тока или экзотермических реакций при гидратации цемента, а также нагревания арматуры бетона индукционными токами в электромагнитном поле. В настоящее время 85 % всех выпускаемых сборных железобетонных изделий и конструкций пропаривают в камерах водяным паром.

Весь цикл тепловлажностной обработки в пропарочных камерах делят на четыре периода: предварительное выдерживание, подогрев до максимальной температуры, изотермическая выдержка и охлаждение. Длительность тепловлажностной обработки определяется требуемой прочностью изделий, их толщиной, расходом цемента и его активностью, минимальными приведенными затратами и т.д. Она выражается суммой отдельных его периодов в часах, например, (3)+3+6+2= 14 ч.

Период предварительного выдерживания обычно составляет 1—5 ч. Предварительное выдерживание наиболее целесообразно для изделий с большими открытыми поверхностями, для изделий в закрытых формах оно нецелесообразно, а при использовании разогретых бетонных

смесей противопоказано. Скорость подъема температуры во второй период не должна превышать 60°С/ч, длительность этого периода обычно составляет 2—3,5 ч. Оптимальная температура изотермической выдержки для бетонов на портландцементе 80—85°С, на шлакопорт- ландцементе и пуццолановых портландцементах 90— 95°С, длительность изотермической выдержки 2—13 ч. Период охлаждения изделий в камерах обычно составляет 0,5—2,5 ч.

Существует несколько видов пропарочных камер. Выбор их конструкции определяется в первую очередь принятым способом производства и технико-экономическими показателями работы камер. Пропарочные камеры бывают периодического и непрерывного действия. Камеры периодического действия (ямные, туннельные) применяют при стендовом и агрегатно-поточном способах, камеры непрерывного действия (туннельные, щелевые, вертикальные) — при конвейерном способе. В камерах периодического действия весь цикл тепловлажностной обработки проводят по заданному режиму без перемещения форм. Камеры непрерывного действия являются проходными. Процесс пропаривания изделий и их перемещение вдоль камер происходит непрерывно или циклично.

Ямные камеры обычно предназначают для одновременной тепловлажностной обработки нескольких изделий, установленных в три-шесть рядов по вертикали и в два-три ряда по горизонтали. Загрузку и разгрузку камер осуществляют сверху мостовым краном. Чтобы упростить строповку и расстроповку форм, применяют автоматические траверсы, а камеры для однотипных изделий оборудуют вертикальными стойками с откидными кронштейнами для опирания форм. В одном пролете цеха с агрегатно-поточной технологией и двумя формовочными постами располагают до 9—12 ямных камер и более, как правило, объединенных в один блок или несколько блоков (по три-четыре камеры в блоке). Ямные камеры имеют прямоугольную форму иногда со скругленными углами для улучшения циркуляции теплоносителя ( 3.60). Высота камер обычно не превышает 4 м, ширина 1,5—4 м, длина 7—13 м. Ямные камеры чаще всего строят заглубленными на 3/4 высоты. Основные конструктивные элементы ямных камер — стены 1, выполненные с некоторым уклоном, пол для стока конденсата, паронепроницаемая теплозащитная съемная крыш-

ка 5, система трубопроводов для подачи пара, коллектор для удаления конденсата 8 и вентиляционная система. Тепловой режим в камере поддерживается автоматически.

Ямная камера работает следующим образом. С камеры краном снимают крышку и в нее устанавливают формы с изделиями таким образом, чтобы они со всех сторон обтекались паром. Крышку закрывают и в соответствии с принятым режимом тепловой обработки в камере поднимают температуру путем подачи пара через парораздающий коллектор с соплами. Цикл пропарива- ния складывается из предварительной выдержки изделий в теплой камере до подачи пара, подъема температуры в камере до максимальной, изотермической выдержки изделий при максимальной температуре и охлаждения изделий продувкой воздуха. Продолжительность тепловлажностной обработки зависит в основном от толщины изделий, активности и расхода на 1 м3 бетона применяемого портландцемента и назначения конструкции. Она, как правило, составляет 8—14 ч.

При стендовом способе используют низкие напольные камеры на одно изделие (чаще при производстве ферм). Конструктивно они ничем не отличаются от ямных камер. В отдельных случаях при производстве железобетонных изделий небольших размеров (подоконных плит, лестничных ступеней и т. п.) применяют туннельные тупиковые или проходные пропарочные камеры периодического действия. В отличие от загрузки изделий в ямные камеры, в туннельные загружают изделия, уложенные в несколько рядов на вагонетках через дверной проем. Вагонетки с изделиями закатывают в камеру по рельсовым путям вручную или с помощью цепных, гидравлических или других толкателей. Двери камеры плотно закрывают и производят обработку изделий водяным паром так, как в ямных камерах. Туннельные камеры периодического действия менее удобны, чем ямные. Они не заглублены, в связи с чем занимают больший объем цеха, кроме того требуют дополнительных площадей для рельсовых подъездных путей. Однако загрузка туннельных камер изделиями и их выгрузка лучше поддаются механизации и осуществляются быстрее по сравнению с ямными.

В камерах периодического действия водяной пар, как правило, смешивается с находящимся в камере воздухом, и обработка изделий осуществляется паровоздушной смесью, температура которой в безнапорных камерах всегда ниже 100 °С. Так как горячий пар легче воздуха и имеет более высокую температуру, он скапливается в верхней части камеры, а ниже располагается паровоздушная смесь с постепенно убывающей концентрацией водяного пара. В связи с этим по высоте камеры наблюдается перепад температур, который приводит к неравномерному прогреву изделий. Для устранения этого недостатка разработаны камеры с интенсивной принудительной циркуляцией теплоносителя, обеспечивающей высокие показатели теплообмена и равномерный нагрев изделий.

Туннельные камеры непрерывного действия представляют собой туннель длиной до 70 м, в котором по рельсовым путям вплотную одна за другой движутся формы-вагонетки с твердеющими железобетонными изделиями по одному ярусу, двум или нескольким ярусам (многоярусные камеры). На крупных заводах с целью снижения теплопотерь, упрощения энергоснабжения, отвода конденсата и т. п. несколько таких туннельных камер объединяют по горизонтали в один блок. Загрузка и разгрузка ярусов осуществляется синхронно подъемником-толкателем и снижателем, расположенными с противоположных сторон камеры. Подъемники-толкатели и снижатели имеют вид портальных кранов. Они пе- редвигаются по рельсовым путям от одной камеры к другой вдоль их торцевых сторон и благодаря вертикально перемещающимся платформам загружают и разгружают формы-вагоиетки на всех ярусах камеры. При этом, если вагонетка подъем- ником-толкателем загружается на какой-либо ярус, то все вагонетки этого яруса перемещаются иа один пост и с противоположной стороны яруса выкатывается форма-вагонетка на платформу снижателя. Передача форм- вагонеток с конвейерной линии на подъемник-толкатель и со снижателя обратно на конвейерную линию осуществляется самоходными передаточными мостами, также оборудованными толкателями.

Щелевые камеры — разновидности туннельных камер непрерывного действия, в которых по высоте размещается только одна форма-вагонетка с изделием ( 3.61).

Они могут быть напольными и заглубленными. В двухъярусных конвейерах большая часть щелевой камеры располагается под конвейерной линией. Иногда три-четыре камеры выносят за пределы формовочного цеха (выносные камеры), что позволяет снизить капитальные затраты при строительстве. Изделия в щелевых камерах нагревают водяным паром или при помощи теп- лоэлектронагревателей (ТЭНов). С целью снижения влажности наружных стеновых панелей и ускорения процесса их твердения температуру в щелевых камерах поднимают до 120°С. Щелевые камеры имеют ряд преимуществ перед туннельными: в них нет значительного перепада температур по высоте камеры, проще регулировать тепловлажностный режим, меньше теплопотери, а также возможен подъем температуры выше 100°С, что очень важно при изготовлении наружных стеновых панелей.

Вертикальные (или башенные) камеры ( 3.62) представляют собой установки высотой более 6 м с размерами в плане, зависящими от габаритов изделий и числа стоп-форм. По вертикали внутреннее пространство камер условно разделено на подъемную и снижающую части. В подъемной части изделия в формах с помощью гидроподъемников перемещаются вверх, в снижающей части гидроснижателями опускаются вниз, проходя через зоны тепловой обработки. Формы перемещаются в верхней части камеры из одного ряда в другой с помощью передаточной тележки. Пар в камеру подается через перфорированную трубу в верхней части камеры, при этом происходит естественное расслоение пара и воздуха по высоте камеры, в результате чего в верхней части камеры температура пара близка к 100°С, а в нижней части температура паровоздушной смеси 30—35°С. Это создает благоприятные условия для тепловлажностной обработки изделий. Площадь и объем вертикальных камер значительно меньше, чем площадь и объем многоярусных туннельных камер. Расход пара в вертикальных камерах 100—120 кг/м3 бетона (меньше, чем в камерах других типов).

На заводах крупнопанельного домостроения для изготовления крупноразмерных изделий небольшой толщины (плит перекрытий, панелей наружных и внутренних стен и др.) широко применяют кассетный способ производства с контактным обогревом бетона в вертикальных сборно-разборных формах — кассетах, в которых формуют и подвергают тепловлажностной обработке одновременно несколько (2—14) однотипных изделий. Кассета ( 3.63) представляет собой пакет из вертикально расположенных форм, состоящих из тепловых (паровых) и формовочных отсеков, разделенных стальными вертикальными стенками. Крайние полые стенки кассеты, выполняющие роль тепловых отсеков, теплоизолированы. Сверху кассета закрывается крышкой. Пар подают в нижнюю зону парового отсека через перфорированные трубы. Давление пара в тепловых отсеках может достигать 0,8—1,2 МПа. Кроме пара в качестве теплоносителя применяют отходящие газы тепловых установок и жидких теплоносителей (воды, масла, петролатума и др.). Температура бетона в кассетах может достигать 100°С (выше, чем в камерах ямного типа). Изотермический прогрев в кассетах состоит из двух периодов: подачи теплоносителя в тепловой отсек и термосное выдерживание после прекращения его подачи. Охлаждение тепловых отсеков в период остывания изделий не предусмотрено.

Достоинством контактного обогрева бетона в кассетных установках является возможность подъема температуры с большой скоростью (60—70°С/ч), отказ от предварительной выдержки изделий, благоприятные условия формирования структуры бетона при его прогреве в замкнутом пространстве, что обеспечивает повышение его прочности на 10—20 % по сравнению с пропаренными в обычных камерах бетонами. Недостаток контактного обогрева в кассетах обусловлен особенностями теплообмена, связанного с конденсацией пара в тепловых отсеках.

Кроме кассетного контактного обогрева изделий применяют такой же обогрев в горизонтальных термоформах и пакетах из них, исключающих необходимость сооружения камер. Термоформы представляют собой конструкцию с полым поддоном, служащим паровой рубашкой, в которую подают теплоноситель (обычно пар). Тепловые секции имеются также в подвижных и неподвижных бортах формы. Принудительная циркуляция теплоносителя (паровоздушной смеси) в термоформах осуществляется с помощью эжекторов. Наружная поверхность бортов форм теплоизолирована. Открытые поверхности изделий закрывают пленочными и тканевыми покрытиями и крышками. При герметизации зазоров

может создаваться избыточное давление до 0,02 МПа. Шесть-семь термоформ с помощью пакетировщиков ( 3.64) набирают в пакеты каждый высотой 1,5—2 м и таким образом обеспечивают двухсторонний прогрев изделий и сокращение продолжительности тепловой обработки. В термоформах достигается более равномерный прогрев изделий, чем в кассетных установках, и в отличие от последних в них можно формовать изделия большей толщины. Термоформы применяют при изготовлении крупноразмерных предварительно напряженных железобетонных изделий.

Автоклавную обработку бетона [при повышенных температурах (175—200°С) и давлении насыщенного водяного пара (0,9—1,3 МПа)] в нашей стране широко применяют для производства мелкозернистых силикатных и ячеистых бетонов. При изготовлении тяжелых бетонов ее применяют реже. Повышенное давление насыщенного пара предотвращает переход воды из жидкого в парообразное состояние, благодаря чему значительно ускоряются процессы твердения бетонов и образуются новые цементирующие соединения (гидросиликаты кальция и магния), повышающие прочность бетона. Эта особенность обусловливает возможность замены портландцемента местными вяжущими веществами и применение промышленных отходов.

Автоклав (. 3.65) представляет собой цилиндриче- скнй-керяусГдиаметром 2,6—3,6 м и длиной 20—30 м с одной торцевой герметично закрывающейся крышкой (тупиковый автоклав) или двумя крышками (проходной автоклав). Для снижения теплопотерь поверхность автоклава и подводящих паропроводов покрыта теплоизоляционными материалами. Перед загрузкой автоклава формы с изделиями устанавливают на вагонетках, которые заталкивают в автоклав. Автоклавы оборудованы системой трубопроводов для впуска и выпуска пара, перепуска отработанного пара в другой автоклав или утилизатор и для спуска конденсата.

Режим автоклавной обработки определяется расходом и активностью вяжущего вещества, требуемой прочностью бетона, толщиной изделий и др. Общий цикл автоклавной обработки условно разделяют напять периодов. Первый период — от начала впуска пара в автоклав до повышения температуры в нем 100°С. В этот период происходит интенсивная конденсация пара на хо-лодных поверхностях изделий и их нагрев. Второй период— с момента подъема давления в автоклаве до максимальных значений давления и температуры. Он характеризуется ускорением тепломассообмена и прогревом изделий. Третий период—изотермическая выдержка при максимальных значениях температуры и давления. Через 30—60 мин выдержки происходит равномерный прогрев изделий по всему сечению. Четвертый период — снижение давления до атмосферного и температуры до 100°С. Происходит быстрое испарение накопившейся в бетоне влаги и его охлаждение. Пятый период — охлаждение изделий от 100°С до 15—20 °С.

Скорость изменения температуры и давления в автоклаве в значительной степени влияет на возникновение напряжений в изделиях, вызываемых перепадом температуры по их сечению и парообразованием внутри изделий при охлаждении, что может привести к появлению трещин (деструкции бетона). В связи с этим для различных видов изделий подбирают оптимальные скорости подъема и снижения температуры и давления, не вызывающие трещинообразования.