Энергоэффективные режимы тепловой обработки бетонов

Магнитогорский государственный технический университет

Главная задача при разработке оптимальных параметров технологии бетонов — управление процессами изменения структуры при их твердении. Одним из путей решения этой задачи является учет принципа соответствия, который применительно к технологии бетонов утверждает: вид, интенсивность, время приложения и длительность воздействия на бетон необходимо согласовать с его структурообразованием. В то же время принцип соответствия является частным приложением более общего принципа самоорганизации. В соответствии с этим принципом проведение самопроизвольного процесса в нужном направлении возможно только при согласовании внешних воздействий с внутренними процессами.

Основой разработки рациональных режимов тепловой обработки, являются термодинамические закономерности твердения вяжущих веществ [1]. Тепловое воздействие на бетон должно быть согласовано во времени с его структурообразованием, т. е. высокое качество изделий обеспечивается проведением тепловой обработки с учетом изменения структурного состояния бетона и его термодинамической устойчивости.

Образующаяся после приготовления бетонной смеси коагуляционная структура является термодинамически устойчивой и характеризуется высокой энергией активации структурообразования, поэтому именно в этот период необходимо осуществлять разогрев бетона. Для предотвращения развития деструктивных явлений в бетоне скорость его разогрева должна быть соизмерима со скоростью роста прочности.

После окончания индукционного периода, в течение которого и существует коагуляционная структура, развивается интенсивная гидратация цемента, которая приводит к возникновению термодинамически неустойчивой коагуляционно-конденсационной структуры. Образование этой структуры носит автокаталитический характер и сопровождается резким снижением энергии активации структурообразования. В этот период твердения целесообразно осуществление изотермического прогрева, длительность которого определяется, исходя из величины энергии активации структурообразования и температуры прогрева. Поддержание в результате теплового воздействия возмущенного состояния в бетоне позволяет обеспечить необходимую скорость роста прочности, что исключает развитие деструктивных явлений. Следует отметить положительный эффект использования температуры изотермического прогрева, не превышающей 80^оС, т.к. при этом снижается интенсивность деструктивных процессов в бетоне. При замедлении процесса гидратации в бетоне формируется стационарная конденсационно-кристаллизационная структура. Эта структура формируется в условиях, близких к равновесным, и обладает наибольшей прочностью и долговечностью, поэтому на данном этапе твердения необходимо производить охлаждение бетона. Скорость охлаждения при этом также определяется, исходя из величины энергии активации структурообразования в этом периоде твердения.

На основании обработки большого количества экспериментальных данных по изучению процесса твердения разных видов цементов и бетонов установлена возможность использования электрофизического метода [2] для фиксирования отдельных периодов структурообразования по кривой изменения электрического сигнала, определяемого акваметрическим датчиком (рисунок 1).

Рисунок 1. Аппаратный комплекс для регистрации электрического сигнала, возникающего в твердеющей системе Получаемая при электрофизическом исследовании кривая изменения электрического сигнала является интегральным отражением процессов, протекающих при твердении бетона, следовательно, с помощью электрофизического метода можно определить режим тепловой обработки бетона, наиболее рациональный для данного состава бетона (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема назначения режима тепловой обработки бетонов цементный вяжущий бетон прочность Сущность назначения такого режима тепловой обработки заключается в следующем. Вначале задаётся максимально допустимая скорость разогрева бетона. При формовании образца бетона заданного состава в его центральное сечение устанавливается акваметрический датчик для фиксации возникающего при твердении электрического сигнала.

Длительность разогрева бетона определяется моментом появления скачка на кривой изменения амплитуды электрического сигнала (рисунок 2), а температура, при которой он происходит, определяет температуру последующего изотермического прогрева. Длительность изотермического прогрева определяется моментом достижения минимума на указанной кривой (рисунок 2). С этого момента прекращается активное тепловое воздействие и начинается охлаждение бетона.

На основе вышеизложенного был разработан режим тепловой обработки железобетонных плит, изготовленных из тяжелого бетона класса В15. Физико-механические показатели бетона после тепловой обработки по разработанным режимам приведены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние режима тепловой обработки на прочность бетона.

Как следует из данных таблицы 1, использование предложенного режима позволяет сократить длительность и температуру тепловой обработки и достигнуть необходимой отпускной прочности бетона. На рисунке 3 приведен расход энергии на тепловую обработку указанных изделий по разработанному режиму.

Рисунок 3. Расход энергии на тепловую обработку железобетонных плит:

Таким образом, при использовании электрофизического метода бетон «самостоятельно» назначает рациональный режим тепловой обработки.

Реализация изложенного подхода к назначению режимов тепловой обработки позволяет на 20% сократить расход энергии без снижения физико-механических и эксплуатационных характеристик бетонов.

• 1. Гаркави М. С. Термодинамический анализ структурных превращений в вяжущих системах — Магнитогорск: МГТУ, 2005. -243 с — ISBN 5−89 514−584−9.
• 2. Адамович Е. А., Гаркави М.С. Электрофизический метод контроля твердения вяжущих веществ // Цемент. — 1999. -№ 5−6. — С. 34−36.