Разрядно-импульсная технология зимнего бетонирования | Найденов Ю.А., Веприняк И.А.
Железобетон, как искусственный строительный материал, является одним из самых распространенных и широкодоступных. До 1993 года ежегодно по России и странам СНГ осваивалось 258 млн. м3 бетона и железобетона, в том числе 135 млн. м3 сборного железобетона. На мостовых заводах ЖБК Минтрансстроя выпускалось более 4,9 млн. м3 изделий в год. В настоящее время темпы выпуска железобетонных конструкций снизились, однако число специализированных предприятий и номенклатура выпускаемой ими продукции остались прежними. Прежними остаются и проблемы: неэффективное использование цемента, снижение энергопотребления, ускорение набора прочности, повышение плотности, снижение усадки и ползучести, увеличение морозостойкости.
Потери монолитного бетона, ввиду нерационального использования, по стране составляют 9%, а цемента – до 12,5% от общего годового производства. Из них до 42% приходится на несовершенство технологических процессов на заводах железобетонных изделий. Около 85% сборного железобетона на заводах ЖБИ сегодня производятся с применением тепловлажностной обработки. Однако паропрогрев бетона приводит к ухудшению структуры и свойств бетона, кроме того, сопровождается значительными энергозатратами и выбросами в атмосферу углекислого газа, что ухудшает экологическую обстановку.
Из общего объема монолитного бетона более 35% укладывается в зимнее время. А при производстве работ на Крайнем Севере, где продолжительность периода с отрицательными температурами достигает 8…9 месяцев в году, объем зимнего бетонирования составляет 70%. Проблема производства бетонных работ при отрицательной температуре, наряду с ускорением твердения, требует эффективного решения.
На развитие национальной технологической базы направлены исследования, проводимые в научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсные технологии» филиала Военной академии материально-технического обеспечения (далее НИЛ РИТ) под руководством доктора технических наук Веприняка И.А. Достижения творческого коллектива неоднократно отмечались наградами и призами на международных форумах, оценивавших достижения в области высоких технологий.
Результатами исследований стали теория и практика дробления минеральных массивов, восстановления пропускной способности трубопроводов, улучшения (восстановления) физико-механических характеристик строительных материалов (в частности, лежалого цемента), активации растворов и мелкозернистых бетонов, обеспечивающей возможность передачи расчетной нагрузки на конструкцию 1,5…2 суточного возраста, технология зимнего бетонирования. На основе активированных по разрядно-импульсной технологии (РИТ) мелкозернистых бетонов изготавливаются сваи и анкеры РИТ.
Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в НИЛ РИТ, позволяют сделать вывод о том, что внедрение современных электрофизических и химических способов активации бетонной смеси приводит к интенсификации набора прочности бетоном, позволяет сократить сроки изготовления железобетонных конструкций до 1,5…2 суток и выполнять работы непосредственно на строительной площадке. Кроме того, комплексная активация бетонов и растворов позволяет решить весьма актуальную для нашей строительно-климатической зоны проблему – зимнее бетонирование.
Замораживание бетона в раннем возрасте отрицательно влияет на его свойства после оттаивания вследствие необратимого разрушающего воздействия мороза на структуру бетона. Замерзание бетона после набора им критической прочности приводит лишь к временному замедлению или прекращению твердения. Это означает, что необходимым условием при бетонировании в зимнее время будет являться набор необходимой прочности бетоном, достаточной для его дальнейшего твердения.
Целью экспериментальных исследований, проведенных в НИЛ РИТ, было формулирование технологии совместного использования химического ускорителя твердения (ХД) и высоковольтного электрического разряда (ВЭР) с целью увеличения скорости набора прочности бетоном до замерзания и возобновления процесса после оттаивания. При этом решались следующие частные задачи:
- установление оптимальных параметров ВЭР;
- исследование видов противоморозных добавок и их процентного содержания;
- определение момента ввода химической добавки в обрабатываемую бетонную смесь и наложения напряжения;
- исследование кинетики твердения замороженного бетона;
- оценка влияния водоцементного отношения и химического состава цемента;
- исследование структуры цементного камня.
Исследования по установлению оптимальных параметров ВЭР в целях активации водно-цементной суспензии выполнялись в специально изготовленном активаторе [3]. Было определено, что электроразряд (параметры электроразряда: С = 150 мкФ; U = 7,3 кВ; количество разрядов – 10; удельная энергия – 39,9 кДж) существенно повышает прочность бетона в ранние периоды твердения – на 60…140%, затем, в более поздние сроки, процесс приобретает затухающий характер: увеличение прочности составляет 40…45%; в возрасте 7 суток указанный показатель составлял 79%.
При выборе противоморозной добавки принимались во внимание следующие показатели: эффективность, доступность, себестоимость, безвредность для человеческого организма. В таблице 1 приведены виды экспериментальных добавок и полученные результаты.
Таблица 1 – Результаты испытаний противоморозных добавок
| Температурные условия | Вид добавки | Влияние на кинетику набора прочности | Меры защиты организма |
| до -15 С |
Хлористые соли (NaCl,Cacl2) Хлорированная вода (CaOCl2) |
Ускоряет | Необходима защита кожи и слизистой оболочки |
| до - 25 С | Поташ (K2CO3) | Ускоряет | Необходимо соблюдение правил техники безопасности со щелочью |
| до - 15 С |
Нитрит натрия (NaNO2) |
Ускоряет | То же и с ядами |
| до - 15 С |
Нитрит кальция с мочевиной (сокращенно НМК) Ca(NO3)2+CO(NH)2 |
Не ускоряет | То же и с ядами |
| до - 15 С |
Аммиачная вода (NH4OH) |
Не ускоряет | Обладает токсичным запахом,необходима защита дыхательных путей |
| до - 15 С |
Содопоташная смесь Na2CO3K2CO3 |
Ускоряет | Защита дыхательных путей |
| до - 15 С | Комплексная добавка (K2CO3+NaNO2) | Ускоряет | Соблюдение техники безопасности с ядами |
В качестве основных были приняты нитрит натрия, хлористый кальций в сочетании с суперпластификатром С-3. Результаты применения хлористого кальция приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты применения различных способов активации бетона
| Процентное содержание добавки от веса цемента, % | Возраст, сут./Прочность образцов, МПа | Возраст, сут./Прочность образцов, МПа | Возраст, сут./Прочность образцов, МПа | Возраст, сут./Прочность образцов, МПа | Возраст, сут./Прочность образцов, МПа | Возраст, сут./Прочность образцов, МПа |
| 0,8 | 1 | 2 | 3 | 7 | 28 | |
| ЦР | 3,0 | 3,8 | 7,7 | 11,5 | 14,0 | 19,0 |
| ЦР+ВЭР | 7,1 | 7,6 | 12,5 | 16,5 | 25,0 | 27,0 |
| ЦР+С+(2%)CaCl2 | 6,9 | 7,3 | 12,0 | 18,0 | 24,0 | 27,1 |
| ЦР+С-3+(2%)СaCl2+ВЭР | 10,0 | 11,2 | 16,0 | 20,0 | 26,0 | 30,5 |
| ЦР+С-3+(4%)СаСl2+ВЭР | 13,2 | 14,7 | 17,5 | 25,0 | 32,5 | 36,0 |
| ЦР+С-3+(6%)СаСl2+ВЭР | 13,0 | 14,0 | 17,0 | 22,0 | 30,0 | 34,2 |
| ЦР+С-3+(8%)СаСl2+ВЭР | 16,6 | 18,0 | 22,5 | 29,0 | 16,0 | 18,0 |
Выводы:
- введение в раствор хлористого кальция и пластификатора С-3 обеспечивает увеличение прочности в ранние периоды на 55…130%, в 7- суточном возрасте – на 71%;
- применение комплексной активации, с наложением высокого напряжения и введением химической добавки, приводит к увеличению прочности по сравнению с неактивированным бетоном в 3…5 раз (в ранние сроки) и 80…150% в более поздние сроки;
- сравнение прочностных показателей бетонов только с химической добавкой и подвергнутых комплексной активации показывает: дополнительный прирост прочности составляет 90…140% в ранние сроки и 33…60% в поздние;
-комплексная активация приводит к получению в суточном возрасте 37…40%, в 3-х суточном – 65…70% и в 7-и суточном 85…90% от марочной прочности, соответствующие показатели неактивированного бетона: 20%; 61%; 74%;
- оптимальное содержание соли составляет 2…4% от веса цемента; дальнейшее увеличение концентрации добавки до 8% ведет к замедлению роста прочности, а при 8% наблюдается потеря конечной прочности на 50%.
Экспериментальным путем удалось выяснить, что введение химических добавок до активации ВЭР повышает прочность бетона на 11…12%.
Эксперименты с нитритом натрия дали результаты, приведенные в таблице 3. Было установлено, что наиболее эффективным является содержание добавки в бетоне 0,7% от веса цемента. При этом активированный бетон имеет большую прочность в любом контролируемом возрасте, а в суточном возрасте превышает прочность неактивированного в 2…3 раза; по отношению к конечной прочности она составляет 23%, а по сравнению с неактивированным бетоном – 41%.
Таблица 3 – Результаты экспериментов с нитритом натрия
| Содержание добавки от веса цемента ,% | Возраст, сут./Прочность на сжатие, МПа | Возраст, сут./Прочность на сжатие, МПа | Возраст, сут./Прочность на сжатие, МПа | Возраст, сут./Прочность на сжатие, МПа | Возраст, сут./Прочность на сжатие, МПа | Возраст, сут./Прочность на сжатие, МПа |
| 1 | 2 | 3 | 5 | 7 | 28 | |
| 0 | 1,5 | 2,0 | 2,6 | 4,0 | 7,3 | 12,0 |
| 0,7 | 4,9 | 6,3 | 8,5 | 12,5 | 14,8 | 21,4 |
| 1,5 | 3,6 | 4,6 | 6,2 | 9,7 | 11,2 | 15,5 |
| 2,3 | 3,1 | 3,8 | 5,4 | 8,7 | 10,0 | 13,3 |
В таблице 4 приведены результаты экспериментов с очередностью обработки ВЭР активированного нитритом натрия бетона. Данные экспериментов свидетельствуют о том, что совместный эффект от действия добавки и ВЭР выше тогда, когда в водно-цементную смесь вводится нитрит натрия, а затем накладывается напряжение. Прирост прочности может составить 10…20%.
Прочность образцов из активированного бетона в 2…5 суточном возрасте выше прочности образцов из обычного бетона в 2,2…2,7 раза.
Таблица 4 – Варианты обработки бетона ХД и ВЭР
| Возраст образцов до испытаний, сут. | Прочность образцов, МПа | Прочность образцов, МПа | Прочность образцов, МПа | Прочность образцов, МПа |
| ЦР | ЦР+НН | ЦР+ВЭР+НН | ЦР+НН+ВЭР | |
| 2 | 3,5 | 5,6 | 7,8 | 9,5 |
| 5 | 5,5 | 10,1 | 11,5 | 12,6 |
| 7 | 7,1 | 11,0 | 13,7 | 15,5 |
| 28 | 12,6 | 14,6 | 16,6 | 19,4 |
Таким образом, хлористый кальций и нитрит натрия ускоряют набор прочности бетоном, а последующая обработка его высоковольтным электрическим разрядом дает дополнительный прирост прочности в 10…20%. В целом комплексная активация позволяет в 1…2-х суточном возрасте получить 60…90% от 28-и суточной прочности неактивированного бетона. Активность хлористого кальция почти в два раза выше нитрита натрия.
На втором этапе оценивалось влияние отрицательной температуры на кинетику твердения активированного бетона. Испытывались активированный бетон и бетон, приготовленный традиционным способом. В ходе экспериментов образцы выдерживались от 6 до 72 часов, а затем замораживались. После оттаивания проводились испытания сжимающей нагрузкой на 7 и 28 сутки. Кроме того, четыре образца испытывались без замораживания.
По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:
- при достижении до замораживания более 30% проектной прочности на 7 сутки образцы из активированного бетона имеют 90…100% проектной прочности, а образцы из обычного бетона – 65…85%;
- активированный бетон можно замораживать в суточном возрасте без потери прочности;
- увеличение водоцементного отношения снижает прочность активированного бетона на 20…25%, обычного – на 30…35%.
- замораживание активированных образцов на вторые сутки по сравнению с выдержкой в 18 часов дает прирост прочности в 34%, а выдержка до трех суток – 41% (испытания на седьмые сутки). Испытания на 28 сутки показали соответственно – 18% и 20%;
- в абсолютных показателях получен прирост прочности активированного бетона по сравнению с приготовленным по традиционной технологии в 57%. Электрогидроэффект позволяет снизить объем химических добавок на 10…15%;
- скорость набора прочности в раннем возрасте намного выше аналогичного показателя, наблюдаемого после семи суток.
Были проведены эксперименты с бетонами, приготовленными на основе различных по химическому составу цементов. Активированный бетон, приготовленный на пикалевском цементе М400, за первые сутки набрал 25% прочности бетона, твердеющего в нормальных условиях. В то же время, прочность аналогичного бетона, приготовленного на волховском цементе (с содержанием С3S до59,6% и С3А до 8,4%) достигла 36%.
После замораживания в суточном возрасте прочность активированного бетона через 7 суток составила 98% от проектной, через 28 суток – 130%. Темп роста прочности в начальный период твердения активированного бетона на волховском цементе (с повышенным содержанием алита и трехкальциевого алюмината) в 1,2…1,4 раза выше темпов набора прочности бетоном, приготовленном на пикалевском цементе. Следовательно, при бетонировании в условиях отрицательных температур предпочтительны цементы, аналогичные по химическому составу волховскому, обеспечивающие быстрое связывание воды и ускорение набора прочности в ранние периоды твердения.
Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о том, что непродолжительное замораживание не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики активированных бетонов в возрасте 7 и 28 суток. В то же время, длительное выдерживание на морозе негативно сказывается на прочностных характеристиках бетона. Снижение прочности составляет 25…40%.
Наиболее хорошие результаты были получены при введении в активированный ВЭР бетон химического ускорителя твердения РСТ. Эта добавка относится к группе противоморозных, ускоряющих схватывание и твердение, а ее раствор имеет одну из самых низких эвтектических температур. Другим не менее важным последствием комплексной активации бетонов является ингибирующее воздействие РСТ на коррозию стальной арматуры в железобетоне. Такой эффект объясняется тем, что воздействие разрядов на цементное тесто способствует повышению его плотности, тем самым исключая локальные гальванические пары с окислением в точках, играющих роль анодов. Активация суспензии ВЭР увеличивает водородный показатель до 10 … 12 и предупреждает создание условий для развития коррозии, несмотря на присутствие хлористых солей. Дополнительное присутствие в активированной суспензии сахарата, имеющего повышенную растворимость, приводит к осажданию его на поверхности цементных зерен и связыванию свободных хлоридов в гидратные образования, повышая антикоррозийный эффект способа в целом. Эксперименты продолжаются.
Авторы:
Найденов Юрий Анатольевич – научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» филиала Военной академии материально-технического обеспечения. Кандидат технических наук доцент. Полковник в отставке. Автор более 120 опубликованных работ, 15 изобретений. Родился в 1950 г. В г. Воркуте. В 1972 г. Окончил Днепропетровский институт инженеров железнодорожного транспорта, факультет «Мосты и тоннели». В 1977 г. закончил Военную академию тыла и транспорта, в 1985 г. Ленинградский электротехнический институт. В 1986 г. защитил кандидатскую диссертацию. Руководил кафедрой «Строительства мостов и тоннелей» ВАТТ.
Веприняк Иван Алексеевич - заведующий кафедрой «Общенаучных и общетехнических дисциплин» Военного института (ЖДВ и ВОСО) Военной академии Материально-технического обеспечения, доктор технических наук, профессор, академик ПАНИ, полковник запаса. Автор более 100 опубликованных работ, 50 изобретений. Родился в 1957 году. В 1978 г. окончил Ленинградское высшее военное училища ЖДВ и ВОСО им. М.В. Фрунз. В 1993 закончил Военную академию Тыла и транспорта. В 1996 г. защитил кандидатскую диссертацию. В 2006 защитил докторскую диссертацию. Занимал командные и инженерно-технические должности. С 1990 г. особое внимание уделяет научно-практическому исследованию разрядно-импульсных технологий.