Что такое пропаренный цемент

про БЕТОН , что такое пропарка бетона. Бетоносмеситель , РБУ , БСУ

На любом заводе железобетонных изделий (ЖБИ) значительную часть площади занимают пропарочные камеры, в которых отформованные изделия подвергаются гидротермальной обработке – пропарке. Благодаря такой обработке, в несколько раз ускоряется твердение бетона, что делает его более экономичным.

Пропарка осуществляется при температуре 80–90 0С и продолжается 10–20 часов, чем обусловлена высокая энергоемкость процесса изготовления изделий, а потому любые попытки интенсификации твердения бетона, направленные на снижение энергоемкости, заслуживают внимания.

Твердение бетона обусловлено протеканием химической реакции между цементом и водой затворения – гидратацией вяжущего, с появлением новообразований. Интересно то, что этот процесс – экзотермический, т.е. он не требует затрат энергии, а, наоборот, протекает с выделением тепла.

Возникает закономерный вопрос, зачем же нагревать бетон∨ Оказывается, тут работает температурный коэффициент реакции гидратации. Проще говоря, реакция ускоряется с ростом температуры, а энергия при пропарке расходуется только на нагрев цементного теста, и связано это не с химическими реакциями, а только с теплоемкостью нагреваемого объекта. В точности как с обычной бытовой ванной: сначала затратили энергию на нагрев воды, а потом, остывая, вода вновь отдает все приобретенное тепло в окружающую среду.

В таком случае, главная проблема в том, как быстрее, с минимальными потерями, передать тепло обрабатываемому бетону, как ускорить теплообмен. Известно, что одним из способов ускорения подобных процессов является воздействие акустических волн.

Установлено звукохимическое ускорение гетерогенных процессов, например, диффузии раствора сульфата меди в гель желатины; показано, что акустическая обработка ускоряет старение алюминиевых сплавов в 75–80 раз; наконец, выяснено, что акустические воздействия ускоряют теплообмен между латунной трубкой и окружающим воздухом.

Проводились исследования, касающиеся твердения цементного теста при воздействии на него ультразвука; было показано, что прочность цементного камня возрастает, однако до практического применения дело не дошло. На это были две причины: во-первых, ультразвук – дорогое удовольствие, пригодное для академических экспериментов, но не достаточно экономичное для промышленного применения; во-вторых, ультразвук очень быстро затухает в вязкой бетонной среде, проникая в изделие лишь на глубину 1–2 см. Можно сказать, что для бетон, как и для человек, ультразвук не слышит.

Более целесообразным представляется использование звука низких и средних частот. Причем, сомнительна эффективность применения акустических волн какой-то одной фиксированной частоты, поскольку бетон – материал полидисперсный, и отдельные зерна разных размеров имеют разную частоту собственных колебаний.

Нашей индустрией выпускался промышленный генератор поличастотных акустических волн, под названием “источник белого шума”. Близок к “белому шуму” и звук механического звонка.

Проверка влияния “белого шума” на твердение бетона осуществлялась путем его термоакустической обработки. Были изготовлены две партии по 24 бетонных образца одного состава (весовое соотношение цемента, песка и щебня составляло 1:2:4). Обе партии пропаривали в лабораторной пропарочной камере, внутри которой смонтирован звонок громкого боя. При одинаковом температурном режиме, одну партию образцов пропаривали с акустическим воздействием, а другую – без. После обработки образцы остывали непосредственно в камере, затем их извлекали из форм и испытывали на плотность и прочность, а результаты испытаний подвергали статистической обработке.

Установлено, сто средняя плотность образцов обеих партий одинакова и составляет 2370 кг/м3. При обычной пропарке среднее статистическое значение прочности 21, 67 МПа, минимальная теоретически вероятная величина 18, 46 МПа, максимальная теоретически вероятная величина 24, 88 МПа. При термоакустической обработке эти три показателя были существенно выше, они, соответственно, характеризовались следующими цифрами: 23, 88; 19, 83 и 27, 93 МПа.

На основании изложенного, термоакустическую обработку бетона следует считать достаточно перспективной. Прирост прочности более 10% – вроде бы, небольшой, но, с одной стороны, он может перевести бетон из одной марки по прочности в более высокую, а с другой стороны, следует учитывать существование более мощных, чем использованный, источников “белого шума”. Следует учитывать небольшую энергоемкость источников звука, возможность их работы по сокращенному режиму (периодичность), экранизацию источника шума крышками пропарочных камер, то, что термообработка в основном производится в ночное время, когда цеха пустеют, наконец, незначительность расходов на реконструкцию камер.

Несмотря на приведенные доводы в пользу термоакустической обработки, остаются сомнения, не станут ли экологи возражать против шумового загрязнения среды∨ Тут возникает соблазн заменить “белый шум” музыкой. Но не ухудшит ли это технологические воздействия акустики∨

Для такой замены есть убедительные основания: а) “белый шум” содержит в себе колебания разных частот и должен влиять на зерна разных размеров (цемент, песок, щебень), но давление на них будет одновременным, а более эффективным представляется последовательное воздействие, обеспечиваемое полифонической музыкой; б) музыка содержит достаточно резкие переходы от одной частоты к другой, а также частые смены ритма и громкости, паузы и одновременное звучание нескольких нот (аккорды); все это, в отличие от монотонного “белого шума” порождает градиенты механических воздействий, безусловно, полезные для теплообмена; в) музыка не вызовет такой же негативной реакции экологов, как “белый шум”, она даже может рассматриваться как элемент эстетического воспитания персонала; г) реализовать музыкальную обработку достаточно просто -–в крышке пропарочной камеры делается отверстие, перекрываемое фольгой, а к нему приставляется динамик (громкоговоритель, подключенный к магнитофону). Остается выяснить, какая музыка какому бетону больше нравится.

Обращает на себя внимание тот факт, что достижение повышенной прочности бетона дает широкое право выбора, в зависимости от существующих проблем конкретного цеха: или снизить расход цемента, или сократить расход энергии на пропарку, или применить другие, менее дефицитные компоненты.

Источник

Что такое пропаренный цемент

При пропаривапии портландцемента повышается его прочность. С увеличением температуры пропаривания продолжительность индукционного периода, как показали исследования С. М. Рояка и М. М. Маянца [155], заметно уменьшается и увеличивается скорость образования гидросиликатной фазы ( 21), которая проходит через минимум при температуре около 323 К-

Время появления гидрос’иликата зависит от изменения концентрации ионов Са2+ и ОН1-» в жидкой фазе цементного теста и ускорения диффузии этих ионов с повышением температуры. При гидратации C2S в жидкой фазе весьма медленно устанавливается равновесная концентрация гидрокснда кальция, необходимая для образования гидросиликатов. Влияние тепловлаж- ностной обработки C2S на скорость достижения такой равновесной концентрации извести видно из следующих данных [55].

Тслгпсратура обработки, К Время достижения [температура 1 Время достижения равновесной концепт- обоаботки К равновесной концентрации Са(ОН)2 || рации Са(ОН)2

Проиаривание C2S при 323 К вызывает образование метастабильной фазы I не описанного в литературе гидросиликата кальция с’ основностью C:S выше 2. Пропаривание при 343—363 К не приводит к образованию этой фазы. После исчезновения фазы I появляется фаза II, характеризующаяся меньшей основностью. С повышением температуры гидратации до 363 К основность гидросиликатной фазы несколько уменьшается. В результате образуются гидросиликаты кальция. При пропаривании образцов из СзА быстро появляется кубический СзАНб. В тех же условиях гидратация C4AF приводит к образованию серии твердых растворов СзАН6—C3’FH6. При длительном пропаривании в условиях высокой температуры появляется гематит — a-Fe203 [22].

При гидратации смеси C3S + C3A либо алюминатных фаз индукционный период практически отсутствует из-за сильного разогрева смеси, причем максимальная температура наблюдается в тот период, когда в системе уже появилась гидросиликатная фаза. Если в смеси содержится гипс, то из-за образования гидросульфоалюмината кальция разогрева не происходит, причем реакции, ведущие к возникновению индукционного периода при гидратации C3S, протекают так же, как и в отсутствии СзА.

Характер связи между степенью гидратации и прочностью проявляется, по данным С. М. Рояка и М. М. Маянца, в показателях удельной прочности, характеризуемой отношением прочности теста нормальной густоты на сжатие к степени гидратации ( 22).

Видно, что тепловлажностная обработка по-разному влияет на прочность цементного камня нз основных клинкерных минералов — C3S, C2S и C4AF (у образцов из С3А она полностью разрушила цементный камень). Удельная прочность цементного камня из C3S, подвергнутого тепловлажностной обработке в течение 4 ч при 343 и 363К, оказалась примерно такой же, как у образцов C3S, твердевших 7 сут при 293 К. С увеличением продолжительности тепловлажностной обработки до 1 сут наблюдается тенденция к уменьшению удельной прочности цементного камня, что так же как и при обработке C4AF вызывается, по-видимому, перекристаллизацией продуктов гидратации. Аномалия прочности цементного камня из C3S при 323К наблюдается в широком интервале значений степени гидратации и объясняется, по всей вероятности, образованием при этой температуре промежуточной высокоосиовиой гидросиликатной фазы I.

Таким образом, можно видеть, что тепловлажност- иая обработка при температурах 353—363К не приводит к существенным изменениям фазового состава продуктов гидратации портландцемента, твердевшего после обработки в нормальных условиях, по сравнению с образцами нормального твердения. Поэтому достигаемое при пропарива- нии повышение прочности следует рассматривать в первую очередь как следствие увеличения степени гидратации портландцемента, хотя не исключено, что на нем сказалось влияние особенностей образовавшейся кристаллической структуры продуктов гидратации.

Усиление гидратации с повышением температуры приводит к утолщению экранирующих гелевых пленок из труднорастворимых гидратных новообразований, прилегающих к поверхности исходных зерен цемента, что замедляет процессы гидратации. Наблюдения за контракцией также указывают на временное торможение гидратации в период изотермического прогрева в результате утолщения экранирующих пленок ( 24, 25). Эти явления происходят преимущественно при повышенном количестве СзА и недостаточном — гипса. Высокое содержание С3А вызывает также повышение содержания кристаллизационной воды в продукте гидратации, склонность к сильной усадке и большое тепловыделение при гидратации.

Из этого видно, что рациональное содержание гипса играет огромную роль в процессах твердения портландцемента при пропариваиии, куда большую, чем при

Степень его устойчивости при пропаривании зависит от ряда факторов и в первую очередь от концентрации извести в растворе, условий синтеза, характера кристаллизации, длительности твердения и др. [75]. При высоком содержании СзА и особо тонком помоле цемента наблюдается заметное изменение прочности цемента, что объясняют отмеченным выше распадом гидро- с’ульфоалюминатов кальция; это, по-видимому, и является одной из причин неодинаковой эффективности пропаривания портландцементов с различным содержанием С3А.

Установленное С. Д. Окороковым положительное влияние содержания СзА (примерно 15% от количества’ C3S) на твердение портландцемента при нормальных температурах сохраняется и в условиях пропаривания. Можно, таким образом, считать, что при содержании в’ портландцементах 55—60% C3S, количество С3А не должно превышать примерно 8—9%.

Низкоалюмннатные цементы с 5—6% СзА, не содержащие активных минеральных добавок, обнаруживают высокую прочность после пропаривания и к 28 сут. Введение в состав низко- и средцеалюминатных (не более 9% СзА) портландцементов до 10% активных минеральных добавок не снижает показателей прочности в указанные сроки. Высокоалюмипатные (10% СзА) клинкеры оказываются эффективными при пропаривании лишь в составе шлакопортландцемента. Шлако- портландцементы с 30—40% шлака при одной с портландцементом марке имеют после пропаривания более

высокую, чем у портландцемента, суточную и 28-суточ- ную прочность.

Весьма эффективны при тепловлажностной обработке шлакопортландцементы на основе клинкера, содержащие 7—9% С3А и 55—60% C3S. При высокой марке из-за увеличения удельной поверхности (более 3000 см2/м) коэффициент использования активности у всех цементов и особенно у шлакопортландцемента повышается. Применение тонкоизмельчениых высокопрочных цементов и ОБТЦ дает возможность сократить изотермическую стадию при пропаривании до 2 ч, причем’ увеличение продолжительности этой стадии не во всех случаях приводит к положительным результатам. Эти цементы отличаются интенсивным ростом прочности после пропаривания, чему способствует 7—8% активной минеральной добавки, к 28 суткам они по прочности не: отличаются от цементов, твердевших при нормальной температуре. В гл. 16 приведены данные об одном из’ таких цементов, содержащем клинкер, доменный шлак,’ небольшое количество глиноземосодержащего компонента при несколько повышенной дозировке гипса. Этот’ цемент обеспечивает получение высокой прочности при’ сокращенном режиме пропаривания в связи с образованием повышенного количества гидросульфоалюминатных фаз.

С. М. Рояком, А. Ф. Черкасовой и Е. Т. Яшиной в НИИЦементе разработан ускоренный метод оценки качества цемента для сборного железобетона с применением пропаривания | 118]. Для этой цели используют стандартные образцы-балоч- ки 4X4X16 см, изготовленные в соответствии с требованиями ГОСТ 310.1—76— 310.4—76. Формы для образцов должны быть замкнутыми — недеформирующи- мися. Пропаривание осуществляют по режиму 2 +3+6+2, изотермический прогрев ведется при 363 К. Установлено, что существует удовлетворительная связь между прочностью бетона (образ- цы-кубы ЮХЮхЮ см) через 4 ч после тепловлажно- стной обработки и соответствующей прочностью цементного раствора ( 26)

Таким образом, можно видеть, что в условиях про-‘ паривания эффективны несколько видов цемента: высокопрочные, быстротвердеющие и особобыс’тротвер- деющие портландцементы, быстротвердеющие и высокопрочные шлакопортландцементы, расширяющийся портландцемент. Выбор того или иного цемента зависит, главным образом, от проектируемой марки бетона и прочности непосредственно после окончания теп- ловлажностной обработки. При этом учитываются и условия изготовления и применения бетона. Важным критерием является коэффициент использования активности цемента, который через 4 ч после пропаривания для портландцемента должен быть не менее 65 и для’ шлакопортландцементов не менее 72.

С. А. Миронов, Л. А. Малинина [84] показали, что эффективность ускорения твердения портландцемента с помощью пропаривания зависит не только от физико-химической характеристики использованного цемента, но и от ряда других факторов. Установлено, что при тепловлажностной обработке наблюдаются два противоположных процесса — структурообразующий и деструктивный [81]. При подъеме температуры формирование крупнокристаллических гидратных новообразований ускоряется и очень быстро появляется кристаллизационный каркас. По мере пропаривания происхо

дит рост составляющих каркас кристаллов, который одновременно с повышением прочности приводит к появлению внутренних напряжений.

Это вызывает напряжения в бетоне, способствующие усилению деструктивных процессов. Ускорение гидратации при повышенных температурах усиливает тепловыделение в цементе, особенно при высоких расходах быст- ротвердеющих и высокомарочных цементов. Температура в пропаренном изделии на 281—288 К превышает температуру пропарочной камеры, что вызывает испарение свободной воды из цементного камня и его высушивание. Это способствует также развитию деструктивных процессов, которые усиливаются при неравномерном распределении температуры в крупных и сложных конструкциях.

Такие отрицательные явления можно предотвратить,1 подбирая рациональное и, по возможности, пониженное ВЩ, прибегая к предварительному выдерживанию сформованного изделия при нормальной температуре до достижения им критической прочности, составляющей примерно не менее 0,5 МПа. Продолжительность выдерживания, как показано С. А. Мироновым и Д. А. Малининой, зависит от марки цемента и кинетики нарастания прочности в начальный период твердения. Для элементарной структуры, способной противостоять’ силам напряжения, возникающим в результате быстрого подъема температуры в цементном камне, характерна критическая прочность [84].

Чтобы уменьшить эти напряжения, необходим мед-‘ ленный и плавный подъем температуры в пропарочной камере. При этом подбирают рациональную продолжительность изотермического прогрева при весьма строгом’ режиме охлаждения в зависимости от размеров и пу-‘ стотности прогреваемых бетонных конструкций. Во’ время охлаждения в цементе (бетоне) температура и соответственно парциальное давление воды больше» чем’ в пропарочной камере, что может вызвать интенсивное испарение влаги (20—40% воды затворения). В результате в цементном камне создается повышенная пористость, ухудшающая некоторые свойства цемента (бетона).

При твердении образцов из растворов на цементах без добавок трепела при температуре 353—373 К уменьшается объем микропор радиусом меньше 5-10

5 см и увеличивается содержание макропор с радиусом больше Ы0Ч см, что, по данным Ф. М. Иванова, способствует снижению морозостойкости. При охлаждении объем компонентов бетона сокращается неравномерно^ в соответствии с присущим каждому компоненту термическим коэффициентом расширения (сжатия), что вызывает растягивающие напряжения и нарушает структуру бетона.

Интересным является предложенный О. П. Мчедловым-Петросяном режим пропаривания в зависимости от скорости тепловыделения цемента при его гидратации. Сформованное бетонное изделие помещают в нагретую до 333—353 К форму и прогревают 1,5—2 ч до начала тепловыделения цемента, после чего подача теплоносителя прекращается и дальнейший нагрев происходит уже за счет тепловыделения цемента. Особенности изменения структуры и прочности цементного камня при его пропаривании оказывают большое влияние на важнейшие свойства бетона — прочность, усадку, морозостойкость, ползучесть [90]. Сложность физико-химических процессов, протекающих при тепловлажностной обработке цементов, вызывает необходимость разработки рациональной технологии пропаривания, применительно к особенностям изготавливаемого бетона, к составу используемых цементов и др.

Тепловлажностная обработка вяжущих цементов при повышенном давлении водяного пара (запаривание) осуществляется обычно при 0,9 МПа и соответственно 448 К- В последнее время установлена целесообразность применения давления пара в 1,2 и 1,6 МПа. Автоклавная обработка является способом интенс’ивного ускорения твердения вяжущих, крайне медленно затвердевающих при нормальной температуре и пропаривании. Автоклавный способ ускорения твердения наиболее глубоко изучен и отражен в трудах П. И. Боженова [15], А. В. Волжен- ского [27] и ряда других советских ученых. По этому способу могут быть получены бетоны, основным компонентом которых являются многие виды промышленных отходов — доменных и других металлургических шлаков, нефелиновых шламов, топливных, в том числе сланцевых зол и шлаков, магнезиальных пород, глинистых материалов и др.

Автоклавная обработка существенно ускоряет также твердение и портландцемента. Состав продуктов гидратации синтетического C3S в условиях автоклавной обработки зависит от температуры. При 448—473 К образуются C2SH(A), C2SH(C) И C3SH2 наряду с Са(ОН)2 в соотношениях, зависящих от условий твердения. При 433—523 К в результате гидратации j3-C2S появляется C2SH(C).

Гидратация СзА при температурах ниже 488 К приводит к образованию С3АНб; гидратация C^AF при температуре ниже 523 К сопровождается образованием твердых растворов серии Сз(А, F) Нв, гематита и Са(ОН)2. Гидратация клинкерных минералов из теста нормальной густоты в зависимости от температуры характеризуется следующими данными ( 24).

Реальные клинкерные фазы в составе портландцемента гидратируются не только в зависимости от температуры, но и от дисперсности, характера охлаждения клинкера при обжиге и других факторов. Как и при нормальной температуре в условиях запаривания гид- ратирующиеся клинкерные фазы заметно влияют друг на друга. Так, например, смесь (3-C2S и C4AF при запаривании приобретает существенно большую прочность, чем составляющие ее компоненты.

Поскольку при автоклавной обработке силикатов кальция- образуются Са(ОН)2И высокоосновные гидросиликаты кальция, обусловливающие пониженную прочность, целесообразно вводить в состав портландцемента преимущественно кварцевый песок для химического связывания Са(ОН)2 и получения, как показано выше, низкоосновных гидросиликатов кальция с’ерии CSH(B), отличающихся повышенной прочностью. Поэтому для тепловлажностной обработки при повышенном давлении изготовляют цементы, содержащие тонкоиз- мельченный кварцевый песок (песчанистые порт- ландцем енты).

Наибольшую прочность при запаривании приобретают смеси: СзЭшесок—2:1 и p-C2S:necoK — 3:1. При давлении 0,9 МПа последняя смесь дает более высокую прочность при удлинении времени изотермического прогрева, при этом связывается больше Si02. Следует подчеркнуть, что процесс запаривания активизирует гидратацию белита в большей степени, чем алита.

При гидратации песчанистого портландцемента в условиях запаривания образуется преимущественно CSH(B), являющийся продуктом гидратации в этих условиях C3S и |3-C2S. Он появляется также в результате химического взаимодействия Са(ОН)2 и кварцевого песка. Взаимодействие кварцевого песка с’ СзА и C4AF приводит к образованию преимущественно гидрограиа- тов. В литературе приводятся различные данные о прочности получаемых при запаривании смесей Сз$ либо (3-C2S с песком. Для производства песчанистого портландцемента можно применять клинкеры разного химико-минералогического состава, в зависимости от которого устанавливается количество добавляемого кварцевого песка. Весьма эффективны алитовые низкоалю- минатные клинкеры.

Применение песчанистого портландцемента для получения бетонов позволяет при автоклавной обработке не только существенно экономить портландцемент, но и получать строительные изделия с высокой прочностью. Вместе с тем необходимо учитывать, что некоторые отрицательные явления, вызываемые твердением в условиях пропаривания при атмосферном давлении, еще больше проявляются при автоклавной обработке из-за более высокой температуры. Так, при запаривании образуется крупнокристаллическая структура цементного камня. При этом повышается пористость камня; расширение изделия составляет 0,3—0,4 мм/м. С целью уменьшения деструктивных процессов необходим медленный подъем температуры в автоклаве для того, чтобы нарастающая прочность камня могла противостоять им. Известный интерес представляет способ НИИЖБа, по которому с’вежеотформованное изделие в начальный период тепловой обработки подвергается некоторому внешнему обжатию в результате давления, создаваемого водяным паром, быстро поступающим в автоклав.

Цементный камень, получаемый в растворах и бетонах при запаривании, вследствие особенностей структуры отличается некоторой хрупкостью, несколько повышенной водопроницаемостью и пониженной морозостойкостью. Цементные бетоны плохо выдерживают ударные нагрузки, но обладают высокой стойкостью против ис’тирания. Обращает на себя внимание несколько замедленный рост прочности «автоклавного» бетона во времени с последующим значительным нарастанием в зависимости от влажностного состояния бетона. При высокой влажности наблюдается тенденция к понижению прочности при росте модуля упругости; высушивание приводит к противоположным результатам.

Твердение при повышенных температурах происходит в среде, не содержащей водяного пара; повышение температуры при атмосферном давлении в этих случаях достигается путем применения термоактивных форм, электропрогрева [62]. При автоклавной обработке водяной пар заменяется другим теплоносителем. Обшим важным обстоятельством является необходимость обеспечить при автоклавной обработке такие условия твердения, при которых не происходит высушивание гидра- тирующегося цемента (бетона).

Интенсивность роста прочности изделий из бетонов на быстротвердеющих цементах возрастает в условиях тепловой обработки при
При добавке к портландцементу марки 600 креита в количестве 10 % повышается его прочность через 10 ч твердения с 5 до 18 и через 28.

В результате повышаются прочность и морозостойкость бетона
Бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при температуре до 100°С, в
Длительное хранение цемента Даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его активности.

вяжущего, экономить клинкер и расход цемента в бетоне. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного более интенсивным
Интенсивность роста прочности бетона на быстротвердеющих цементах возрастает в условиях тепловлажностной обработки изделий.

А. В. Волженский и Ю. Д. Чистов рассмотрели зависимость прочности и пористости затвердевшего в разных условиях цемента от дисперсности частичек
Тепловлажностная обработка портландцемента при повышенных температурах (80—200°С) вызывает не только.

Источник