Энергосберегающие технологии производства сборного железобетона с применением сульфатосодержащих добавок

Проблема снижения энергопортребления — одна из острейших для Республики Беларусь, и в частности — для предприятий и организаций строительного профиля, изготавливающих сборные бетонные и железобетонные изделия и строящих из монолитного цементного бетона.

Энергетические затраты на обеспечение процесса его ускоренного твердения достаточно высоки и в различных вариантах характеризуются расходом тепловой энергии в 0,3 ГКал/м 3 бетона и более. Практической реализацией за период с 1995 г. по настоящее время на целом ряде заводов ЖБИ РБ энергосберегающей технологии изготовления строительных конструкций, разработанной на кафедре строительных материалов и изделий БНТУ, показана возможность стабильного снижения энергозатрат до 0,10 ГКал/м 3 на обеспечение твердения бетона до уровня отпускной (передаточной) прочности за 12-16 ч. При возможности увеличения продолжительности выдержки бетона в тепловых агрегатах до 24-36 ч энергозатраты снижаются до 0,05-0,07 ГКал/м 3, а в период, характеризующийся среднесуточной температурой не ниже 15°С, обеспечивается беспрогревный вариант изготовления преднапряженных изделий. Изделия с обычным армированием в последнем случае можно бездефектно распалубливать через 16-20 ч твердения бетона.

Технология представляет собой сочетание метода термоса с кратковременным начальным низкотемпературным разогревом бетона (малоэнергоемкая технология) либо саморазогревом его за счет экзотермии цемента (беспрогревная технология) с интенсификацией процесса твердения химическими добавками — ускорителями твердения. В качестве добавок в бетон использованы производимые в Беларуси сульфат натрия (СН) и добавка суперпластификатор С-3 (в варианте комплексной добавки С-3+СН). Их присутствие способствует ускорению процесса гидролиза вяжущего и существенно повышает тепловыделение цемента в первые 2-3 суток твердения. В результате при высокой степени заполнения объема теплового агрегата изделиями, хорошей его теплоизоляции и герметичности при беспрогревной технологии имеет место саморазогрев бетона, уровень которого составляет 10°С и более от исходного в зависимости от группы эффективности применяемого цемента, его минералогического состава и содержания в бетоне, водоцементного отношения и ряда других параметров. Отмеченные процессы активизируются при кратковременном тепловом воздействии на бетон с добавкой путем разогрева его до уровня 35°-50°С (в зависимости от вида цемента, его эффективности, консистенции смеси и класса бетона), а выделяющееся тепло экзотермии вяжущего способствует поддержанию (в некоторых случаях — кратковременному повышению) температуры в тепловом агрегате в течение периода твердения.
В итоге через 12-16 ч термостатирования в тепловом агрегате бетон достигает 70-80% прочности, что обеспечивает возможность передачи усилия преднапряженной арматуры, а по остывании конструкции — отпуск ее потребителю.
Важнейшей особенностью технологии ускоренного твердения бетона с добавками является низкотемпературный начальный разогрев и твердение. Это имеет ряд следствий, которые необходимо учитывать при практическом применении технологии. В частности, в данном случае не происходит обезвоживание бетона, и, в сравнении с материалом, твердевшим при 80°-90°С, уровень его влажности выше. В результате, с одной стороны, это благоприятно сказывается на последующем росте прочности бетона при дозревании (в среде с положительной температурой), повышении его плотности и эксплуатационных характеристик. Вместе с тем, присутствие значительного количества влаги в пристенном слое бетона у бортов форм искажает (занижает) результаты определения его прочности неразрушающими методами контроля, в частности, эталонным молотком и склерометрами, которыми оценивается прочность по состоянию поверхностного слоя бетона — его твердости (метод пластических деформаций) и упругости (метод упругого отскока). Следует учитывать, что отклонение между фактической прочностью бетона, определенной испытанием с разрушением контрольных образцов, и установленной неразрушающими методами может достичь 40-45% на гранях из-под металла и 10-15% — на открытой поверхности бетона. Поэтому целесообразно установить соответствующие тарировочные кривые или таблицы по фактически определенным данным прочности бетона и кинетики ее роста.

Существенным для производства изделий с отделываемыми поверхностями является гарантированное отсутствие жировых и цветовых пятен, связанных с воздействием на бетон смазок. При естественном твердении и низкотемпературном прогреве бетона необходима корректировка подхода к подготовке и смазке поверхности бортоснастки. В этих случаях не происходит ее выгорание, а избыток впитывается в тело бетона, снижая прочность пристенного слоя с возможностью образования жировых пятен. Практика показывает, что тщательная подготовка поверхности форм и смазка ровным тонким слоем (матовая, без блеска поверхность) традиционными смазками на основе ЭКС, ОПЛ, машинных масел обеспечивает как бездефектную распалубку, так и качество поверхности изделий.
При изготовлении преднапряженных изделий чрезвычайно важна бездефектная передача усилия напрягаемой арматуры на бетон, которая обеспечивается уровнем его прочности не ниже 70% от проектной, качеством сцепления арматуры с бетоном и его упруго-деформативными характеристиками. Учитывая отмеченную ранее более высокую степень влажности бетона, твердевшего в низкотемпературном режиме, и возможности ее влияния на свойства бетона и качество его сцепления с арматурой были выполнены эксперименты (в ОНИЛ модифицированного бетона БНТУ) с целью оценки данной ситуации. Получены данные для тяжелого бетона классов В7,5-В35 о сцеплении гладкой и профилированной стержневой арматуры в диапазоне его передаточной прочности 50-80% от проектной. Они свидетельствуют, что с увеличением прочности бетона от 50% до 70% проектного значения сцепление его с арматурой резко нарастает, а затем прирост устойчив, но замедляется. При прочности бетона в 70% от проектной усилие вдавливания стержней значительно превышало то усилие, которое передается на бетон при отпуске натяжения арматуры (например, при производстве плит пустотного настила). Влияние добавок СН, С-3 и комплексной (С-3+СН) проявилось только с позиций их влияния на рост прочности бетона: с ее повышением возрастало и усилие, требуемое для подвижки арматурных стержней.
Одной из важных проблем применения добавок электролитов является их влияние на коррозионное состояние стальной арматуры в бетоне, приобретающее особую значимость в преднапрягаемых конструкциях. Если вещество добавки не связывается продуктами гидратации цемента в нерастворимые соединения, а присутствует в свободном состоянии в жидкости, заполняющей поры цементного камня, то ее анионы зачастую способны вызывать коррозию металла. Проверка добавок СН, С-3 и комплексной на их основе по методике действующего стандарта, выполненная для бетона классов В7,5-В35 (содержание цемента — 200-405 кг/м 3 бетона) показала следующее. Добавка СН в дозировке до 1,5-2,0% от массы цемента обеспечивает пассивное состояние арматуры (не вызывает коррозии) в бетоне включая требования стандарта, предъявляемые к преднапряженным конструкциям. Комплексная добавка, и особенно С-3, повышают защитную способность бетона за счет роста его плотности при снижении начального водосодержания (В/Ц) бетона.

Следует отметить, что введение в бетон добавок-электролитов сопровождается незначительной пластификацией смеси, которая для солей-хлоридов проявляется кратковременным эффектом, т.к. они способствуют ускорению схватывания цементного теста. Добавка сульфата натрия (СН) проявляет пластифицирующий эффект на стадии виброформования смеси в виде повышенного водоотделения, что следует учитывать примерно 5-6% снижением расчетного водосодержания бетона. При этом время начала схватывания цементного теста нормальной густоты сокращается на 5-20% в зависимости от минералогического состава вяжущего. По абсолютной величине время начала схватывания для цементов белорусских заводов сокращается с 2-3 ч до 1,5-2,5 ч, что обеспечивает возможность перерывов при формовании изделий продолжительностью до 1 ч. Следует отметить, что введение добавок-электролитов в дозировке порядка 1% от массы цемента способствует повышению эксплуатационных характеристик бетона — водонепроницаемости и морозостойкости при 5-15% росте прочности в возрасте 28 суток.
Одной из проблем эффективного использования энергосберегающих технологий является обеспечение необходимого уровня технологической дисциплины производства. Максимальный эффект, способствующий установленному при научно-технической разработке технологии, получен предприятиями, где соблюдаются требования к рецептуре бетона (особенно в части дозировки воды, цемента и добавок), качеству его уплотнения, поддержанию в должном состоянии тепловых агрегатов (теплоизоляция, герметизация затворов, крышек и т.д.) и выдерживаются рекомендации разработчиков.
Следует учитывать, что постановка этих технологий на производство индивидуальна не только для каждого завода, но и для отдельных типов производства (в частности, тепловых агрегатов) в рамках одного предприятия. Соответственно с их особенностями: номенклатурой изделий и бетона, способом их производства, видами потребляемой энергии на тепловую обработку и типами (техническим состоянием) тепловых агрегатов, — уровень экономической эффективности различен, так как различны рациональные режимы твердения бетона.
При твердении без дополнительной подачи тепла темп роста прочности в первые 1-3 суток пластичного бетона с добавкой сульфата натрия примерно в 1,8-2 раза выше, чем у бетона без добавки. В результате при температуре в 18°-20С твердеющего бетона (подвижностью 5-9 см на рядовом портландцементе М400 II группы эффективности) прочность, выраженная в % от проектной, изменяется в примерном соотношении 21%, 32%, 53% без добавки и 44%, 68%, 75% — для бетона с добавкой 1% СН через 1, 2 и 3 суток соответственно. Введение хлористых солей в естественных условиях может превысить прирост прочности бетона на 5-15%, но следует учитывать их коррозионное воздействие на арматуру и бортоснастку.

В бетонах из жестких бетонных смесей эффективность ускорителей твердения выше, и прочность в 70% от 28-суточной в означенных ранее условиях достигается через 36-48 ч, т.е. к исходу 2-х суток твердения. Понижением температуры среды до 13°-15°С этот срок отодвигается до 3-4 суток, а в случае 5°-8°С — до 5-7 суток в зависимости от свойств цемента.
Использование комплексной добавки “0,5% С-3+0, 5% СН” в первые сутки твердения бетона со сниженным водосодержанием (за счет пластифицирующего эффекта) по влиянию на темп роста его прочности равноценно приведенным для СН данным. К исходу 2-х суток твердения бетона сказывается эффект снижения его водосодержания, и темп роста прочности возрастает (до 10-15% значения прочности с добавкой СН за равный период времени).
При естественном твердении бетона свойства вяжущего приобретают особую значимость и должны безусловно учитываться технологической службой предприятий. Например, цементные заводы Беларуси в отдельные периоды практикуют замену природного гипсового камня на фосфогипс, что приводит к торможению процессов гидратации и твердения цемента, существенно увеличиваются сроки схватывания и падает темп роста прочности бетона.
Подобный результат вызывает также повышенное содержание в вяжущем минеральных добавок, особенно природного происхождения, например, трепела. Применение таких вяжущих нецелесообразно, если преследуется цель получить в естественных условиях твердения бетона достаточно интенсивный оборот бортоснастки.
Кратковременная интенсификация твердения бетона с добавкой 1% СН разогревом характеризуется некоторыми выборочными данными, приведенными в таблице (бетон класса В15, жесткость смеси 10 с, состав: Ц = 245 кг; П = 760 кг; Ш 1 = 1230 кг; В = 155 кг; (В/Ц) бет ~0,63; образцы испытывали в горячем состоянии).
Из данных таблицы очевидна прямая зависимость темпа роста прочности бетона от качества цемента. Так, образцы бетона, изготовленные на вяжущем 1-й группы эффективности при пропаривании, характеризуются примерно в 1,5 раза более высоким темпом роста прочности в диапазоне разогрева бетона до 30°-50°С.

Влияние продолжительности термостатической выдержки на кинетику изменения прочности бетона проявляется в виде устойчивой тенденции ее роста с увеличением времени твердения бетона в тепле и повышением температуры его разогрева. Для вяжущих 2-й и 3-й групп эффективности при пропаривании эта тенденция устойчива, прирост прочности закономерно стабилен. Цементы 1-й группы эффективности обеспечивают при этом повышенный темп роста прочности бетона в первые 12-16 ч твердения, а затем ее прирост замедляется. Следует отметить, что форсированное повышение прочности бетона с добавками в начальный период твердения сопровождается замедлением темпа ее роста в дальнейшем. Поэтому, а также по экономическим соображениям, более целесообразно осуществлять разогрев бетона до минимально необходимой (для конкретных условий работ) температуры.
Многолетний период производственного применения малоэнергоемких технологий на основе добавки СН заводом пустотных изделий ОАО “Минскжелезобетон”, Фанипольским заводом ЖБМК, Осиповичским заводом ЖБИ и целым рядом других предприятий отрасли свидетельствует об устойчивом экономическом эффекте от ее применения. В зависимости от конкретных условий производства выработаны общие границы режима начального разогрева бетона: в летний период — в течение 0,5-1,0 ч, и 1,5-2,0 ч — для зимнего времени года, а для электромагнитных камер (Светлогорский завод ЖБИиК) — нагрев в течение 0,5-1,0 ч.
Сочетание экономической эффективности и благоприятного воздействия низкотемпературного прогрева на формирование структуры цементного камня и бетона в целом создают необходимые предпосылки для широкого применения рассматриваемой технологии предприятиями и организациями строительной отрасли Республики.

Изменение прочности бетона (1 СН) в зависимости от группы эффективности цемента, температуры разогрева и продолжительности термостатической выдержки в камере

Температура разогрева бетона, 0°С	Время термостатической выдержки, час	Прочность бетона в % от марки после прогрева для групп эффективности цемента М400:
		1	2	3
30	8	65	50	38
	12	73	59	41
	16	77	64	44
	20	80	67	47
	24	85	70	51
40	8	74	59	48
	12	82	70	55
	16	88	74	59
	20	92	77	62
	24	95	80	65
50	8	82	67	55
	12	89	76	67
	16	94	80	70
	20	98	85	73
	24	101	88	76

Э.И. БАТЯНОВСКИЙ, к.т.н., доцент, БНТУ