Л.М.КОЛЧЕДАНЦЕВ, канд. техн. наук (СПбГАСУ), Бетонирование сборных и монолитных конструкций с термовиброобработкой смесей
В технологии монолитного и сборного бетона и железобетона одним из важнейших переделов является термообработка. Известно, что метод тепловой обработки бетона оказывает существенное влияние на сроки достижения распалубочной или отпускной прочности, величину энергозатрат, расход цемента и качество бетона. Из этого следует, что применительно к современным условиям конкурентоспособность сборных и монолитных конструкций в значительной мере зависит от применяемого способа термообработки бетона.
Одним из перспективных методов бетонирования является предварительный электроразогрев бетонной смеси, предложенный проф. А.С.Арбеньевым в 1962 г., который правомерно рассматривать как высокоэффективный способ ускорения твердения бетона. Суть метода [1] заключается во внесении тепла в бетонную смесь до ее укладки и уплотнения, что выгодно отличает его от других методов, основанных на внесении тепла в твердеющий бетон. В частности, при предварительном разогреве сводится к минимуму негативное влияние неравномерного объемного расширения компонентов бетонной смеси при ее нагреве, так как этот процесс происходит в стадии пластического состояния бетонной смеси и до ее уплотнения. Постепенное остывание бетона из разогретой смеси создает благоприятные условия для реализации принципа Шателье, в соответствии с которым при отводе тепла во внешнюю среду интенсифицируются экзотермические реакции гидратации цемента. Внесение тепла в момент максимальной концентрации реагирующих масс, активация реакций экзотермии, максимум интенсивности которой наступает примерно через 1,5 ч после разогрева, минимум деструктивных явлений — все это способствует ускоренному формированию плотной структуры бетона при минимальных затратах на его термообработку [2].
Первоначально предварительный разогрев смеси осуществляли в поворотных бункерах, оснащенных пластинчатыми электродами, и в кузовах автосамосвалов, в которые на посту разогрева опускалась гребенка электродов. Опасность потери подвижности бетонной смеси, большие разовые мощности, трудности, связанные с обрастанием электродов, обусловили переход от порциального разогрева к непрерывному. За прошедшие годы предложены десятки способов и устройств, в основу которых положен непрерывный разогрев смеси. Прослеживается явно выраженная тенденция совмещать непрерывный разогрев смеси с другими способами ее активации.
Наиболее перспективными, по нашему мнению, являются устройства типа “труба в трубе”, предложенные проф.А.С.Арбеньевым. В таких устройствах электроразогрев смеси дополняется воздействием на нее вибрации, избыточного давления, пара, электромагнитных полей и других технологических факторов. В последней модификации таких устройств, названной ее разработчиками “синергогенератор”, авторы выделяют девять видов технологических воздействий на бетонную смесь. Такая комплексная обработка смеси в лабораторном образце устройства, созданном во Владимирском техническом университете, позволила получить 200% от марочной прочности бетона.
Научное содружество, которое представляет автор данной статьи, с 1980 г. проводит исследования и разработки, направленные на повышение технологичности и эффективности устройств для непрерывного электроразогрева бетонной смеси. В результате этой деятельности и с учетом обобщений наработок других творческих коллективов, находящихся во Владимире, Москве, Магнитогорске и в других городах, созданы установки для термовиброобработки бетонной смеси (ТВОБС).
Разработаны установки различной модификации с расположением термовиброоргана в наклонном и в вертикальном положениях, с возможностью применения в заводских, полигонных или построечных условиях [3]. Устройство, принцип действия и характеристики установок ТВОБС независимо от их модификации сводятся к следующему. Бетонная смесь с осадкой конуса 10±2 см и крупностью заполнителя до 25 мм, приготовленная и доставленная к месту бетонирования по традиционной технологии, загружается в бункер установки. Объем бункера определяется заказчиком и находится, как правило, в пределах 1,5...3,0 м3. Под воздействием вибрации и сил гравитации смесь поступает в термовиброорган, представляющий собой устройство типа “труба в трубе”, оснащенное электродами, вибраторами и регулируемым затвором. Объем электродной камеры термовиброоргана составляет 0,1...0,2 м3. Размещение электродов на внутренней поверхности наружной трубы при той же площади токосъемных элементов, что и у аналога (следовательно, и при той же производительности и температуре разогрева), позволило сократить длину электродной камеры по сравнению с аналогом почти в три раза. Это в сочетании с другими конструктивно-технологическими решениями, обеспечивающими доступ к внутренним поверхностям термовиброоргана в течение 1...2 мин, свело к минимуму проблему его очистки, что в конечном счете предопределило жизнеспособность устройства и технологии в целом.
Обработка смеси осуществляется при ее прохождении по кольцевому сечению термовиброоргана. Процессы, происходящие в бетонной смеси при ее обработке, можно представить следующим образом. Под воздействием температуры резко ускоряются химические реакции взаимодействия цемента с водой. Вибрация способствует дефлокулизации зерен цемента, частичной их диспергации, удалению с поверхности крупного заполнителя глинистых отложений, пыли, пленок окислов. При разогреве бетонной смеси в замкнутом объеме часть свободной воды превращается в пар, что приводит к появлению избыточного давления, под воздействием которого влага интенсивнее проникает в зерна цемента. Этому способствуют следующие обстоятельства: пленки гидратных новообразований на зернах цемента в этот период имеют неустойчивый рыхлый характер; при повышенных температурах уменьшается вязкость воды; проницаемость пара по сравнению с водой выше на порядок.
Кроме температуры и вибрации, как основных технологических воздействий, углублению и интенсивности реакций гидратации способствуют, по-видимому, и сопутствующие факторы, например, переменное электрическое поле. Совокупное влияние указанных технологических воздействий обеспечивает не только ускорение реакций гидратации цемента, но и их углубление. Большее количество цемента вовлекается “в работу” на ранних стадиях твердения бетона.
Изложенное выше подтверждено как лабораторными исследованиями, так и отслеживанием кинетики нарастания прочности бетона из термовиброобработанных смесей в производственных условиях. Проиллюстрируем это примером.
На полигоне УП ЖБИ ЗАО “Трест Спецтоннельстрой” (Санкт-Петербург) с декабря 1997 г. работает установка ТВОБС производительностью 5,5 м3/ч при температуре разогрева смеси 70°С. Установка размещена на самоходном портале, который перемещается вдоль полигона. В поперечном направлении установка перемещается по порталу. Подача бетонной смеси от бетоносмесительного узла осуществляется по транспортеру непосредственно в загрузочный бункер установки.
В период с 7 апреля по 17 июня 1998 г. с помощью установки ТВОБС было изготовлено 360 свай С-35-14 с общим объемом 622,8 м3 из бетона М 300 (класс В22,5). Состав бетонной смеси на 1 м3 (кг): портландцемент Пикалевского завода (М 400) — 440; щебень гранитный (фракция 5-20) — 1080; песок (М =2,1) — 747; вода — 165 (без учета влажности заполнителей). Осадка конуса 10... 12 см. Бетонная смесь, проходя через установку ТВОБС, разогревалась до температуры 65...70°С.
По ходу укладки и уплотнения бетонной смеси отформованные участки свай укрывались слоем полиэтиленовой пленки и двумя слоями брезента. Между пленкой и брезентом обеспечивался воздушный зазор в 30...40 мм. Выдерживание конструкций осуществлялось методом термоса без подачи пара в формы. Через 1 сут прочность бетона составляла 90... 100% марочной. В связи с производственной необходимостью половина свай от указанного количества была изготовлена при двукратной оборачиваемости форм в сутки: в двух двуместных формах в сутки изготовляли 8 свай.
По внешнему виду и физико-механическим свойствам бетона сваи соответствовали ГОСТ 19804-91. Прочность бетона определяли по контрольным образцам и непосредственно в теле конструкции. Образцы-кубики размещались на выдерживаемых конструкциях, что обеспечивало идентичность режимов твердения бетона в кубиках и сваях. Кроме того, сваи испытывали на трещиностойкость.
По мере изготовления, как правило через сутки, сваи отправляли на строительную площадку, где погружали сваебойным агрегатом “Сумитомо” с помощью дизель-молота массой 2,5 т. В процессе забивки свай не было ни одного случая их разрушения.
Кроме использования в стационарных условиях (в цехе, на полигоне), установки ТВОБС можно успешно применять на строительных площадках. Проектами таких установок предусмотрена их работа на крюке крана. Возможность укладки бетонной смеси в любую точку захватки, границы которой определяются зоной действия крана, дополняется преимуществами термовиброобработки смеси, осуществляемой в непрерывном режиме.
При возведении монолитных конструкций с модулем поверхности Мп< 10м отпадает необходимость в их прогреве традиционными методами при температуре наружного воздуха до -25°С. Кроме ускорения темпов набора прочности бетона (через сутки конструкции можно загружать) и экономии энергозатрат (удельный расход электроэнергии составляет 50 кВт ч/м3), сокращаются трудозатраты (не нужно устанавливать и переключать электроды, греющие провода и т.п., уменьшается время работы дежурного электрика). Важным аспектом является надежность технологии: после укладки разогретой смеси температурный режим выдерживания бетона не зависит от случайных факторов строительного производства (аварийное отключение электроэнергии, нарушение электриком производственной дисциплины и т.п.).
Изготовление установок ТВОБС организовано на предприятиях военно-промышленного комплекса Санкт- Петербурга. Разработчик обеспечивает технологическое сопровождение на начальных этапах их внедрения. Срок окупаемости затрат на внедрение интенсифицированной технологии бетонирования составляет 4...8 мес при годовом объеме работ соответственно 10...5 тыс.м3 термовиброобработанной смеси.
Бетон и железобетон, 1999 №1