В структуре завода железобетонных изделий производственная система для приготовления бетонной смеси — бетоносмесительный цех — является одним из ведущих подразделений основного производства и выполняет следующие функции:
разгрузку, накопление и хранение нормативного запаса сырьевых материалов (заполнителей, вяжущих и добавок) на механизированных складах;
подготовку сырьевых материалов — подогрев заполнителей в зимнее время, активизацию вяжущих, приготовление специальных растворов добавок и другие подготовительные операции;
приготовление бетонных смесей и транспортирование их к формовочным постам технологических линий.
В состав бетоносмесительного цеха входят склады заполнителей вяжущих материалов и добавок с грузоприемными устройствами, система транспортных устройств и сооружений для внутрицехового перемещения материалов и бетоносмесительное отделение, оснащенное необходимым технологическим оборудованием и размещенное в специальном производственном здании.
Особо тяжелый бетон плотностью более 2500 кг/м3 и гидратные бетоны предназначены для защиты от радиоактивного воздействия. Специальные свойства таким бетонам придают прежде всего заполнители из материалов с высокой плотностью — металлический скрап, барит, магнетит и другие рудные материалы, к которым предъявляются также особые требования по прочности на сжатие и по химическому составу. Вяжущими служат портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент. Для гидратных бетонов, содержащих большое количество химически связанной и полусвязанной воды, рекомендуется применять глиноземистый цемент, а в качестве заполнителей — лимонит и серпентинит.
К особенностям технологии тяжелых и гидратных бетонов следует отнести увеличение длительности перемешивания компонентов в бетоносмесителях, некоторое уменьшение объема замеса (обратно пропорциональное плотности бетона) и необходимость вибрационного уплотнения при формовании изделий или бетонировании конструкций. Состав бетонной смеси рассчитывают по эмпирическим зависимостям и графикам (работы проф. А. Е. Десова), позволяющим определить технологические параметры для получения бетона с заданной плотностью, прочностью при сжатии (обычно применяемые марки — М100, М150 и М200), а также общим содержанием связанной воды.
влияют не только на физическое состояние смеси во время ее обработки (степень уплотнения, однородность, пористость), но и на процесс структурообразования на микроуровне, если момент приложения воздействия согласуется со стадийными переходами в этом процессе.
Исследования О. П. Мчедлова-Петросяна, Н. Н. Круглицкого, И. Г. Гранковского и других ученых показали, что учет стадийных переходов в образовании структур твердения цементного камня и бетона позволяет оптимизировать момент приложения механических воздействий и на этой основе добиться существенного увеличения прочности (в 1,5—2 раза) и стойкости бетона.
Как уже отмечалось, твердение цемента — внутренне противоречивый процесс, в котором непрерывно происходит образование структур и их деструкция. К концу стадии образования коагуляционной структуры возникают внутренние напряжения и деструктивные явления, связи между этими элементами достаточно слабые и податливые. Этот момент и является оптимальным для приложения механического воздействия в процессе технологической обработки бетонной смеси (уплотнение при формовании изделий). В этот период, особенно при низких В/Ц, возможно образование рыхлых неплотных, преимущественно алюминатных, структур. »
Расход цемента, его вид и минералогический состав, водоцементное отношение, применение химических добавок — важные технологические факторы процесса структурообразования. Влияние химических добавок, вводимых в состав бетонной смеси, распространяется на все стадии технологической обработки бетонной смеси и структурообразование твердеющего бетона. Непосредственно на параметры структуры и кинетику твердения цементного камня и бетона воздействуют добавки II и III классов по классификации НИИЖБ.
Регуляторы процесса схватывания и твердения бетона (II класс) используются, как правило, для сокращения длительности технологического цикла производства изделий и ускорения твердения бетона (особенно при низких температурах) в монолитных конструкциях. Наибольшее распространение получили добавки ряда неорганических веществ, вводимые с целью ускорения схватывания и твердения бетона. По механизму действия их делят на две группы: добавки, изменяющие растворимость в воде минералов цемента без химического взаимодействия с ними; вещества, реагирующие с вяжущим с образованием труднорастворимых и малодиссоциирующих соединений.
К первой группе относятся в основном электролиты — хлорид и сульфат кальция, хлорид и нитрит натрия и другие соли. Особенно широко применяют хлорид кальция (0,5...2% массы цемента); твердение, например в суточном возрасте, ускоряется примерно в 1,5— 2 раза, затем замедляется и к месячному возрасту прочность примерно соответствует прочности бетона без добавок. Эффективность добавок выше для жестких бетонных смесей, а также при пониженных температурах твердения. Скорость твердения тем больше, чем больше объем добавок, однако если их содержание превышает 4% массы цемента, наблюдается уже недопустимое сокращение сроков схватывания (при нормальной температуре), увеличение усадки, коррозия арматуры, высолы на поверхности бетона и т. п. Поэтому количество вводимой добавки хлорида кальция и других добавок этой группы ограничивается рядом условий.
Повышенное содержание хлоридов в бетоне используется как противоморозная добавка, снижающая температуру замерзания воды при холодном бетонировании. В определенной мере добавки этой группы являются и пластификаторами бетонной смеси. »
Решение задачи определения оптимального состава бетонной смеси обычно включает два этапа: первый — выбор исходных материалов, обладающих необходимыми свойствами в конкретных условиях производства и применения изделий, второй — определение оптимального количественного соотношения между компонентами бетонной смеси, обеспечивающего: 1) условие подвижности (жесткости) бетонной смеси, вытекающее из особенностей и возможностей оборудования для ее уплотнения и формования изделий и 2) условие прочности затвердевшего бетона, вытекающее из требований проекта и особенностей эксплуатации бетона в конструкциях. Оба эти условия должны быть выполнены, как правило, при наименьшем расходе цемента — наиболее дефицитного и дорогого компонента, т. е. в качестве критерия оптимальности состава рассматривается расход цемента. Однако возможны случаи, когда критерием оптимальности может быть себестоимость прризводства бетонной смеси (например, при высокой стоимости заполнителей, перевозимых на далекие расстояния) или другие показатели.
Исходные материалы для приготовления бетонной смеси — вяжущее, добавки, заполнители — выбирают с учетом требований соответствующих ГОСТов и ограничений, вытекающих из особенностей конструкций, их размеров, условий формования и твердения бетона.
Исходными данными для расчета состава бетонной смеси являются: требуемая (проектная) прочность бетона при сжатии — марка, а также прочность к моменту отпуска изделий потребителю; требуемая подвижность (жесткость) бетонной смеси; условия и сроки твердения бетона; наибольшая крупность заполнителя (в соответствии с размерами сечения конструкции и густоты армирования). »
Химические добавки, вводимые в бетонную смесь с целью повышения ее подвижности и однородности, успешно применяются в технологии бетона как эффективный способ управления свойствами смеси. В основном это регуляторы реологических свойств бетонных смесей. Из них наибольшее распространение получили пластифицирующие добавки типа сульфитно-спиртовой барды (ССБ), сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ), водорастворимого полимера (ВРП) и др.
Поверхностно-активные вещества, входящие в состав этих добавок, адсорбируются на поверхности зерен цемента, устраняют слипание и уменьшают трение между ними, в результате чего бетонная смесь становится более подвижной, текучей. Пластифицирующий эффект добавок увеличивается с повышением расхода и тонкости помола цемента. При применении шлако или пуццолано-вых портландцементов, мелких песков добавки ССБ и СДБ способствуют вовлечению в бетонную смесь воздуха, что также улучшает связность и удобоукладываемость. Добавки этой группы вводятся в воду затворения в количестве 0,15 ... 0,25% массы цемента. Побочный эффект введения таких добавок (обычно отрицательный, особенно при тепловой обработке)—замедление темпа твердения бетона в раннем возрасте. »
Вызывает изменение ее физического состояния, что проявляется в относительном движении слоев структурированной среды, разрушении связей в структуре, снижении сил трения и сцепления, а также предела текучести. Течение смеси начинается при более низких сдвиговых напряжениях; при этом проявляются тиксотропные свойства системы и происходит изотермическое изменение ее вязкости, в результате чего бетонная смесь разжижается и становится более удобоукладываемой. Вибрация как бы пластифицирует бетонную смесь.
При соответствии параметров вибрации, ее амплитудно-частотной характеристики реологическим свойствам малоподвижной или жесткой бетонной смеси достигается особый эффект вибрационного воздействия как фактора удобоукладываемости. Энергия вибрационных импульсов должна быть достаточна для разрушения первоначально создавшейся в процессе перемешивания и транспортирования структуры бетонной смеси.
Процесс разрушения коагуляционной структуры смеси сопровождается более равномерным распределением воды в системе, вытеснением защемленного в порах воздуха и более компактным пространственным расположением частиц твердой фазы. Происходит снижение вязкости смеси одновременно с ее уплотнением. »
Рассматриваемый как соотношение между объемами растворной части и крупного заполнителя, — один из главных факторов удобоукладываемости и поэтому сам может служить объектом оптимизации. Поиск оптимального соотношения между указанными параметрами является одной из наиболее важных задач проектирования состава бетонной смеси. Цементный раствор, заполняя пустоты между зернами крупного заполнителя, выполняет основную структурообразующую функцию и обеспечивает условия пластического деформирования смеси при уплотнении и формовании. Поэтому удобоукладываемость смеси значительно зависит от отношения объема растворной части к объему пустот крупного заполнителя — коэффициента избытка /гИзб- При постоянном расходе цемента и воды существует оптимальное значение, при котором достигается наибольшая подвижность смеси.
Свойства бетонной смеси формируются под влиянием ряда технологических факторов, к которым относятся: водосодержание смеси, свойства и расход вяжущего, физико-механические и геометрические свойства заполнителей, параметры состава смеси, температура, фактор времени и др. Все эти факторы действуют одновременно, что значительно затрудняет как прогнозирование свойств бетонной смеси, так и управление ими. Сложность технологических задач, состоящих в получении бетонной смеси с заданными свойствами (реологическими характеристиками), усугубляется еще и тем, что решение этих задач подчинено условиям достижения главного результата — требуемой прочности и других физико-механических свойств затвердевшего бетона. Поэтому управление свойствами бетонной смеси, регулирование ее параметров осуществляется при определенных ограничениях.
Направленное изменение реологических характеристик бетонной смеси должно соответствовать возможностям и особенностям технологических систем для уплотнения и формоизменения смеси при изготовлении бетонных и железобетонных изделий.
Водосодержание бетонной смеси в начальный после приготовления период является важнейшим фактором формирования ее реологических свойств. При прочих равных условиях изменение водосодержания обеспечивает изменение подвижности (жесткости) смеси в широких пределах. »
Кривая зависимости изменения вязкости вибрируемой жесткой смеси от частоты колебаний (по данным Н. Н. Круглицкого).
Кривая состоит из трех ветвей. Первая ветвь АВ соответствует разрушению сыпучей структуры смеси, состоящей из покрытых слоем цементного раствора зерен крупного заполнителя в виде гранул. На этом участке вязкость резко снижается по мере разрушения структуры и в точке В достигает наименьшего значения — структура предельно разрушена. Дальнейшее повышение скорости деформирования качественно изменяет характер второй ветви кривой — ВС. На этом участке вязкость вибрируемой смеси увеличивается, что связано прежде всего с уплотнением смеси, увеличением количества и поверхности контактов между гранулами; в точке С смесь представляет собой пластичную массу; стабилизируются геометрические параметры структуры.
Третья ветвь отражает характер изменения вибровязкости при пластичном течении смеси, когда в полной мере проявляется эффект тиксотропного разжижения пасты вяжущего в результате возникновения градиентов скоростей между мелкими частицами дисперсной фазы. На этом участке по мере увеличения скорости сдвиговых деформаций (частоты вибрирования) происходит сначала резкое, а затем более плавное уменьшение вибровязкости, величина которой постепенно стабилизируется (точка D). »
при воздействии внешних сил средой Бингама — Шведова, естественно, не учитывает все многообразие явлений в процессе деформирования и формоизменения смеси. Поэтому для более глубоких реологических исследований в модель вводят дополнительные элементы, отражающие более сложные взаимосвязи и условия развития процесса. Применение более сложных реологических моделей и полученных на их основе функциональных зависимостей позволяет точнее определить оптимальные параметры процесса технологической обработки бетонной смеси.
Количественные показатели реологических характеристик бетонных смесей получают при помощи специальных приборов — вискозиметров, позволяющих изучать зависимости деформации сплошных сред от напряжений при различных условиях загружения.
Характерные кривые развития деформаций невибрированной бетонной смеси во времени при различных значениях сдвигающего напряжения т. При т<т0 проявляются свойства ползучести с условно-постоянной вязкостью г\0 и наблюдается быстрая стабилизация деформации вследствие отсутствия вязкого течения. При снятии напряжения (Р=0) смесь возвращается в исходное состояние, остаточная деформация при этом равна нулю. »
Бетонную смесь рассматривают как сложную структурированную многофазную систему, состоящую из твердых частиц вяжущего, добавок и заполнителей, воды и вовлеченного воздуха. Еще до начала схватывания и твердения вяжущего бетонная смесь образует пространственные структуры, обладающие определенной пластической прочностью и не изменяющие своего состояния без приложения определенного энергетического воздействия извне.
Основную структурообразующую роль в бетонной смеси выполняет цементное тесто — тонкодисперсная система, состоящая из твердых частиц вяжущего, специально вводимых тонкомолотых добавок, пылевидных и глинистых примесей в заполнителях и воды. Благодаря огромной поверхности раздела фаз между частицами возникают значительные силы молекулярного взаимодействия, капиллярные силы поверхностного натяжения, внутреннего трения и т. п. Капиллярные силы вызывают сжатие системы, что повышает связность и создает условия для пластической деформации (без разрывов и трещин), а также повышает однородность смеси. Предельное водосодержание смеси, при котором она не расслаивается,
зависит от водоудерживающей способности вяжущего и других тонкодисперсных компонентов.
В результате действия этих внутренних сил формируются определенные физико-механические свойства бетонной смеси, характеризующие ее как объект технологических воздействий в процессе приготовления, транспортировки, укладки, уплотнения и формоизменения. »
Химические добавки вводят в бетонную смесь в весьма небольших количествах (как правило, это доли процента массы цемента) обычно с водой затворения, поэтому их применение технически легко осуществимо.
В последние годы применение химических добавок стало одним из главных направлений технического прогресса в технологии бетона благодаря трудам известных советских ученых П. А. Ребиндера, В. Б. Ратинова, Ф. М. Иванова и др. Установлено, что химические добавки являются эффективным средством направленного воздействия и оптимизации параметров всех стадий технологического процесса производства железобетонных изделий, начиная с приготовления смеси, ее уплотнения и формоизменения, твердения и структурообразования цементного камня и бетона. Кроме того, добавки позволяют улучшать свойства бетона, повышать его прочность и стойкость к воздействию агрессивных факторов окружающей среды при эксплуатации конструкций.
Добавки по характеру и результатам их действия можно разделить на следующие классы:
I. Регуляторы реологических свойств бетонных смесей. К ним относятся пластифицирующие добавки типа сульфитно-спиртовой барды и сульфитно-дрожжевой бражки (ССБ, СДБ), водорастворимые полимеры (ВРП), противосегрега-ционные (водоудерживающие) — бентонит, смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), АМД, разжижители (суперпластификаторы) —вещества, полученные на основе водорастворимых смол типа меламиноформальдегидных (МФ) и др. »
Добавки делятся на две большие группы: тонкомолотые минеральные и химические.
Тонкомолотые минеральные добавки бывают двух видов — активные и добавки-наполнители.
Активные минеральные добавки (АМД) обладают гидравлической активностью и взаимодействуют с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента или известковых вяжущих, связывая его в прочные и стойкие гидросиликаты, в результате чего повышается прочность и стойкость бетонов.
В качестве АМД используются природные и искусственно получаемые материалы. К природным относятся добавки из пород как осадочного происхождения, например диатомиты, трепелы, опоки, глиежи, так и вулканического — пеплы, туфы, пемзы и др. Искусственные АМД получают из обожженной глины, доменных гранулированных шлаков, отходов производства в виде аморфного кремнезема и т. д. Не рекомендуется применять в качестве АМД малопрочные, рыхлые и влагоемкие материалы, которые увеличивают водо-потребность бетонной смеси и снижают морозостойкость бетона.
Предельное содержание АМД зависит от вида добавки и материала конструкций. »
Качество заполнителей как исходных материалов для приготовления бетонной смеси характеризуют следующие три группы свойств:
физико-механические свойства и структура — прочность, плотность, пористость, водопоглощение, дробимость, сопротивление удару, истирание, морозостойкость, стойкость в агрессивных средах и т. п.;
геометрические характеристики — крупность, зерновой состав, форма зерен, межзерновая пустотность, характер и свойства поверхности частиц (шероховатость) и т. п.;
степень чистоты, оцениваемая содержанием вредных и засоряющих примесей, слабых включений, а также петрографической неоднородностью материала.
Эти свойства заполнителей строго регламентируются соответствующими ГОСТами и техническими условиями.
Прочность заполнителей определяется по стандартной методике непосредственным испытанием образцов (цилиндров или кубов) на сжатие.
Основные требования к прочности заполнителя для тяжелого бетона, содержащиеся в ГОСТ 10268—70, таковы. Марка щебня из естественного камня должна быть выше марки бетона не менее чем в 1,5 раза для бетона марок ниже М300 и не менее чем в 2 раза для бетона марок М300 и выше. Марка щебня из изверженных горных пород во всех случаях должна быть не ниже М800, из метаморфических пород — не ниже М600, из осадочных — не ниже М300. »