автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Производство сборных железобетонных изделий с гелиотермообработкой в светопрозрачных камерах

На правах рукописи

ИЗДЕЛИЙ С ГЕЛИОТЕРМООБРАБОТКОЙ В СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КАМЕРАХ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1996

Работа выполнена в Государственном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (НИИЖБ) Государственного научного центра "Строительство" Российской Федерации.

Научный руководитель - доктор технических наук,

Ведущая организация - Акционерное общество "ПУС"

г.Актау р.Казахстан.

Защита состоится "26" декабря 1996 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 033.03.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Государственном Ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона Государственного научного центра "Строительство" Российской Федерации по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул., дом 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "27" ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

профессор Крылов Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Соловьянчик А.Р.

кандидат технических наук Быкова И.В.

кандидат технических наук

Г.П.Королева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время во всем мире разрабаты-этся и внедряются технологии, основанные на использовании нетради-энных источников энергии, в том числе и в производстве строительных гериалов и изделий, это объясняется как удорожанием энергоносителей, : и в большей степени критической экологической обстановкой.

Промышленность сборного железобетона является крупным потребите-I тепловой энергии, а наиболее энергоемкий технологический передел, на горый расходуется более 70% энергии - тепловая обработка изделий. По проблеме использования солнечной энергии для тепловой обработ-сборного железобетона в СНГ и за рубежом проведено большое шчество исследований, имеется значительный опыт применения гелио-»мообработки при производстве изделий и конструкций. Исследования, оведенные автором в НИИЖБе, позволили, учитывая достоинства и достатки ранее разработанных технологии, предложить самую прогрес-шую и универсальную сегодня, комплексную круглогодичную техноло-:о производства сборных железобетонных изделий на полигонах, с тользованием для ускорения твердения бетона солнечной энергии. Эта [нология представляет собой синтез нескольких ранее разработанных годов: применение пленкообразующих составов, свегопрозрачных камер дублирующих источников энергии, которые работая вместе дополняют уг друга, взаимоисключая при этом недочеты каждого способа по цельности. Гелиотермообработка с использованием вододисперсионных енкообразующих составов в свегопрозрачных камерах из полимерных териалов в совокупности с электротермообработкой позволит с мень-ми затратами при обеспечении высоких прочностных показателей и

качества изделий изготавливать их в осенне-зимне-весенний периоды года за счет рационального сочетания солнечной энергии даже низкой интенсивности с регулируемым подводом дополнительного тепла от дублирующих источников энергии.

Таким образом, разработана новая эффективная энергосберегающая, экологически чистая технология, представляющая научный и практический интерес для регионов с сухим жарким климатом.

Целью работы является разработка технологии производства сборных железобетонных изделий разного назначения с интенсификацией твердения бетона за счет использования энергии Солнца.

Автор защищает:

- разработанную технологию изготовления изделий в свегопрозрачной камере с применением пленкообразующих составов;

- результаты исследования характера нарастания прочности бетона при гелиотермообработке и основных свойств бетона;

- результаты исследования структуры поверхностного слоя бетона, подвергнутого гелиотермообработке в свегопрозрачной камере под пленкообразующим составом;

- результаты исследования характера формирования температурных полей в изделиях в процессе выдерживания по разработанному методу.

Научная новизна работы:

- разработана и исследована новая технология круглогодичного производства желез о бетонных изделий в условиях жаркого климата, представляющая собой синтез нескольких ранее разработанных методов интенсифи кации твердения бетона;

- установлен характер нарастания прочности бетона при гелиотермо обработке в свегопрозрачных камерах с использованием вододисперсион ных пленкообразующих составов;

-исследована структура поверхностного слоя бетона подвергнутого шотермообрабопсе в свегопрозрачной камере под пленкоообразугощим ставом;

- показаны закономерности формирования температурных полей в делиях в процессе выдерживания в свегопрозрачных камерах с исполь-ванием вододисперсиотшх пленкообразующих составов.

Практическое значение работы:

- разработана технология круглогодичного изготовления железобетон-IX изделий в открытых цехах и на полигонах в условиях жаркого климата свегопрозрачных камерах из полимерных материалов с применением до дисперсионного пленкообразующего состава в сочетании с методами ектротермообработки;

- показана возможность круглогодичной экономии традиционной [ергии при тепловой обработке железобетонных изделий за счет приме-;Ш1Я свегопрозрачных камер из полимерных материалов и вододисперси-шого пленкообразующего состава в сочетании с методами электротермо->работки как дублирующих источников, что обеспечивает высокое качес-;о сборного железобетона при суточном цикле производства, позволяющая [ачительно экономить тепловую энергию и создавать экологически истые" производства.

Реализация работы. Гелиотермообработка железобетонных изделий в етопрозрачных камерах из полимерных материалов с использованием »додисперсионных пленкообразующих составов (ВПС) внедрена в 1995 >ду на гелиополигоне завода ЖБИ АО "ПУС" г.Актау р.Казахстан.

Публикации. Основное содержание диссертацношюй работы изложено 3 статьях и докладах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих ¿водов, списка использованной литературы из 101 наименований, 110

страниц машинописного текста, включая приложения, 16 таблиц и 18 рисунков.

Настоящая работа выполнена в 1994-1996 г.г. в лаборатории ускорения твердения бетонов НИИЖБ под руководством заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации доктора технических наук, академика АА и СН, профессора Б.А.Крылова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По проблеме использования солнечной энергии для тепловой обработки сборного железобетона в СНГ и за рубежом к настоящему времени проведено большое количество исследований, имеется значительный опыт применения гелиотермообработки при производстве изделий и конструкций. За последние годы в НИИЖБе были разработаны такие способы тепловой обработки железобетонных изделий с использованием солнечной энергии в условиях открытых цехов и полигонов как гелиотермообработка с применением свегопрозрачных теплоизолирующих покрытий СВИТАП; комбинированная гелиотермообработка на полигонах круглогодичного действия; гелиопрогрев с использованием специальных пленкообразующих составов. Анализ этих работ, проведенный в диссертащш, показал, что каждый из методов имеет не только достоинства, но и недостатки. Учитывая достижения и недостатки предыдущего опыта использования солнечной энергии для тепловой обработки сборных железобетонных изделий, был разработан эффективный универсальный способ гелиотермообработки бетона в свегопрозрачных камерах с использованием пленкообразующих составов в сочетании с дополнительно дублирующими источниками энергии. Основные требования, которые предъявляются к пленкообразующим составам - это нетоксичность, экологическая безвредность, по-жаро- и взрывобезопасность. Этим требованиям соответствуют исполь-

шниые в исследованиях эффективные вододисперсиотше пленкообра-эщие составы (ВПС).

Гелиотермообработка в свегопрозрачных камерах под пленкообра-зщим составом характеризуется простой и высокой оперативностью ;дрения в производство, для ее реализации практически не требуется толнителыюн оснастки и специального оборудования, а для нанесения л прообразующих составов можно с успехом использовать оборудование, вменяемое в строительстве для отделочных работ.

Для обеспечения круглогодичного применения гелиотехнологии со-гстно с использованием солнечной энергии применялись дополнительно 5лнрующне источники энергии (электрообогрев ТЭНами).

Новая технология обеспечит экономию традиционного топлива и воды н тепловой обработке сборного железобетона; экологическую чистую эужающую среду, свободную от дымовых выбросов котельных; высокие очностные показатели и качество изделий при суточном цикле оборачи-гмости форм.

В основу диссертационной работы положена гипотеза о том, что по-[цение изделий в свегопрозрачные камеры из полимерных материалов с едварительным нанесением вододисперсионных пленкообразующих сос-}ов, обеспечит гелиотермообработку до максимально возможных тем-эатур при благоприятном температурно-влажностном режиме, что может азаться эффективным способом интенсификации твердения бетона, обес-швающим высокое качество изделий при суточном цикле производства.

В работе были поставлены следующие задачи исследовании:

1. Разработка технологии изготовления изделий с применением плен-эбразующих составов и легких камер из полимерных материалов.

2. Исследование характера нарастания прочности бетона при гелио->мообработае и основных свойств бетона.

3. Исследование структуры поверхностного слоя бетона.

4. Характер формирования температурных полей в изделиях в эцессе выдерживания.

5. Технико-экономическая оценка эффективности разработанной технологии.

Исследования проводились в лабораторных условиях НИИЖБ, а также в естественных условиях жаркого климата в лаборатории строительных материалов и на заводе ЖБИ №2 АО "ПУС".

Применялись сульфатостойкий портландцемент с минеральной добавкой Чимкентского завода и портландцемент Воскресенского завода марки 400, известняковый и гранитный щебень фр.5-20 мм и кварцевый песок с Мкр=1,64; 1,88; 2,74. Используемые материалы удовлетворяли требованиям соответствующих ГОСТов.

Изучение кинетики и прочности бетона изделий в процессе их гелио-термообработки производилось на блоках размером 20x20x40 см и кубах размером 10x10x10 см соответствешш. Замер температуры бетона блоков производили с помощью хромель-Копелевых термопар, подключенных к автоматическому прибору КСП-4. Термопары устанавливали в их геометрическом центре (в плане) на расстоянии 5 мм от верхней поверхности, в центре и в 5 мм от нижней поверхности.

Вододисперсионный пленкообразующий состав наносился на свеже-уложенный бетон сразу после исчезновения с его поверхности свободной воды и водяного блеска с помощью кисточки или электрокраскопульта, расход состава составлял 200-250 и 150-200 г/м2 соответствешш. Затем образцы помещались в светопрозрачные камеры. Исследования процесса нарастания прочности бетона, твердевшего под пленкообразующим составом в свегопрозрачной камере по сравнению с образцами, твердевшими в нормальных темпер атурно-в лажностных условиях проводились в 1, 3, 7, 28 и 90 сут возрасте.

Результаты этих опытов представлены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что образцы, твердевшие под пленкообразующим составом в свегопрозрачных камерах, в суточном возрасте набрали 15,4 Мпа или 49,8% и в 3 сут возрасте приобрели прочность 25 МПа или 79,4% от проч-

Таблица I.

Прочность бетона при гелиотермообработке _комбинированным методом _

словня твердения Прочность бетона на сжатие в возрасте, сут Прочность бетона на растяжение при изгибе, сут

1 3 7 28 90 7 28 90

Нормальное вердение 31,5 100 5Д 100

Гелиотермообра-ют ка в светопро-рачной камере с [спользованием ШС 15.4 49,8 25,0 79,4 37,0 119,3 37,7 119,6 38,0 120,6 4^6 86,4 м 109,4 6,02 113

шмечание: Над чертой показана прочность бетона в МПа, под чер-чертой в % от прочности бетона нормального твердения в 28 суточном возрасте.

очности бетона, твердевшего 28 сут в нормальных температурно-влаж-стных условиях. Образцы кубы в 7 сут возрасте достигли 112-119% и 28, 90 сут возрасту 119-121% от прочности бетона находившегося 28 г в нормальных температурно-влажностных условиях. Образцы-призмы к сут возрасту набрали 75...87% и к 28, 90 сут Ю2...113% от прочности тона, твердевшего 28 сут в нормальных температурно-влажностных ловиях.

Полученные данные свидетельствуют о том, что бетон к суточному зрасту достигает необходимой критической прочности относительно агопотерь.

Дальнейшие процессы гидратации протекали полнее, о чем говорит нетика роста прочности бетона. Таким образом, использование свето-

прозрачных камер в совокупности с пленкообразующим составом нанесенным на поверхность свежеотформованного бетона, за счет исключения потерь воды, особенно в первые часы выдерживания, а также предотвращения быстрого остывания в несолнечное время суток, позволяет достигать высоких прочностных показателей.

Гелиотермообработка бетона в свегопрозрачных камерах с применением пленкообразующих составов является по существу сезонной, позволяющей производить железобетонные изделия в районах с жарким климатом в течение 6-7 месяцев в год)'.

С целью удлинения сезонного периода эксплуатащш гелиополигонов, были проведены исследования процесса нарастания прочности бетона, подвергнутого электрообогреву под пленкообразующим составом. Электрообогрев осуществлялся при скорости подъема температуры 20°С в час, температура изотермического прогрева составляла 60°С в час и продолжалась в течение 10 часов, затем бетонная смесь медленно остывала. Использование пленкообразующего состава в комбинации с электротермообработкой увеличивает прочность бетона на 17-20% по сравнению с прочностью бетона, который не был покрыт пленкообразующим составом (табл.2).

Исследование морозостойкости бетонов, показали, что образцы, твердевшие в свегопрозрачных камерах под пленкообразующим составом выдержали 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания с коэффициентом морозостойкости равным 1,15. Исследования морозостойкости бетонов, подвергнутых электротермообработке под пленкообразующим составом, а также электротермообработке без использования пленкообразующего состава, показали, что данные образцы выдержали 200 циклов попеременного замораживания и оттаивания с коэффициентом

Таблица 2.

Прочность бетона, твердевшего в различных условиях

Условия твердения Прочность бетона на сжатие в возрасте, сут Прочность бетона на растяжение при изгибе в возрасте, сут

3 7 28 90 3 28 90

1. Нормальное твердение 23.0 100 " 3^2 100

1. Электрообогрев с использованием пленкообр азующего состава 20.4 88,7 24,8 107,8 29,1 126,5 33.0 143,5 3,75 117,2 4& 150,0 5.04 162,5

Электрообогрев без использовашм пленко о бр азующего состава - 21.0 91,3 25.1 109,1 - 103,1 4А 128,1 -

Примечание: Над чертой показана прочность бетона в МПа, под чертой в % от прочности бетона нормального твердения в 28 суточном возрасте.

морозостойкости равным соответственно 1,08 и 1,06. Таким образом гелиотермообработка бетона в свегопрозрачной камере под пленкообразующим составом в совокупности с электрообогревом повышает морозостойкость бетонов.

Изучение кинетики прогрева и твердения бетона блоков, твердевших в свегопрозрачных камерах под пленкообразующим составом показало, что прогрев различных зон изделий солнечной радиации происходит равномерно (перепад температур по высоте составляет 2-3°С).

Максимальная температура изделий достигает 49-51°С, а температура в самой камере равняется 52-54°С. Режим гелиотермообработки бетона характеризуется скоростью подъема температуры 2-4°С/ч, условной изотермической выдержкой в течение 5-6 часов и охлаждением до температуры 34-36°С в камере. Прочность бетона, гелиотермообработанного в светопро-зрачной камере на 10-15% выше прочности бетона, подвергнутого только гелиопрогреву под пленкообразующим составом.

Гелиотермообработка в свегопрозрачных камерах под пленкообразующим составом обеспечивает мягкие режимы твердения бетонов, что должно положительно сказаться на формировании его структуры и физико-механических свойствах. С целью проверки этого положения были проведены структурные исследования бетона, в результате проведенных исследований можно заключить, что бетоны, подвергнутые электрообогреву, гели отерм о обработке в свегопрозрачных камерах и гелиопрогреву под пленкообразующим составом характеризуются в основном плотной структурой растворной части с хорошим сцеплением крупного и мелкого заполнителя с цементирующей массой. Так же бетоны, подвергнутые электрообогреву под пленкообразующим составом и гелиотермообработке под пленкообразующим составом характеризуются повышенным содержанием в растворной части равномерно распределенных мелких по размеру пор и более высокой степенью гидратации, в отличие от бетонов, подвергнутых электрообогреву под пленкообразующим составом и гелиопрогреву под пленкообразующим составом вне свегопрозрачной камеры.

Изучение кинетики прогрева изделий в процессе их гелиотермообработки в производственных условиях производилось на гелиополигоне завода ЖБИ №2 АО "ПУС" в г.Актау при изготовлении дорожных плит ДП-8-2-1 (размером 3x1,5 м бетон М300).

На рис.1, представлены результаты гелиотермообработки изделий, в свегопрозрачных камерах, покрытых вододисперсионным пленкообразующим составом.

Из рисунка видно, что при гелиотермообработке под пленкообразующим составом в свегопрозрачных камерах изделия продеваются до 49-51°С, охлаждаются до 30-34°С.

Проведенные в производственных условиях эксперименты показали, что гелиотермообработка в свегопрозрачных камерах с использованием пленкообразующего состава осуществлялась по мягкому режиму с подъемом температуры в бетоне со скоростью 4-5°С/ч, длительностью условной изотермической выдержки при максимальной температуре в камере 52-54°С в течение 5-6 часов, и медлашым охлаждением до температуры 36-34°С со скоростью 1,5-2°С/ч. Данный режим гелиотермообработки создает благоприятные условия твердения, которые положительно влияют на формирование структуры и свойств бетона.

Гелиотермообработка дорожных плит ДП-8-2-1 в свегопрозрачных камерах с использованием пленкообразующего состава была внедрена на гелиополигоне завода ЖБИ №2 АО "ПУС" в г.Актау в 1995 году. Новая технология позволит обеспечить высокое качество изделий и при этом экономить 50 кг усл.т. и более на 1 м5 бетона, около 1 т воды и 2,7 руб. на 1 м3 изделий с учетом применения экологически чистого технологического процесса (в ценах 1988 года).

t, С

а)

52 44

б)

36

28 52

В)44

36

28

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

1 1.40 13.40 15.40 17.40 19.40 21.40 23.40 1.40 3.40 5.40 7.40 9.40 t,4

Рис.1. Кинетика изменения температуры плит ДП-8-2-1 в процессе их гелиотермообработки в свегопрозрачных камерах под пленкообразующим составом

1, Г, 2, 2', 3, 3' - точки расположения термопар;

4 - температура в свегопрозрачной камере;

5 - температура окружающей среды.

а) в 5 мм от верхней поверхности изделий;

б) в 90 мм от верхней поверхности изделий;

в) в 5 мм от нижней поверхности изделий.

г г-А í-í

— 1-i s-а S-2 Г4^ Í—Í

ü>7 Ьга-J п м F

ОБЩИБ ВЫВОДЫ

1. Разработана комбинированная энергосберегающая, экологически чистая технология производства сборных железобетонных изделий разного назначения с интенсификацией твердения бетона в свегопрозрачных камерах из полимерных материалов с использованием пленкообразующего состава за счет использования солнечной энергии, позволяющая увеличить продолжительность гелиотермообработки до 6-7 месяцев в году; в теплое время года полностью отказаться от традиционных способов ускорения твердения бетона при обеспечении высокого качества бетонных и железобетонных изделий.

2. Для блокирования интенсивных массообменных процессов, происходящих при тепловой обработке необходимо при электрообогреве защищать поверхность свежеуложенного бетона с помощью вододисперснониых пленкообразующих составов, а при использовании солнечной энергии для термообработки бетона после нанесения пленкообразующих составов свежеотформовашше изделия необходимо помещать в свегопрозрачные камеры из полимерных материалов.

3. Применение свегопрозрачных камер одновременно с пленкообразующими составами является эффективным средством ухода за свеже-уложенным бетоном. Совокупное же использование пленкообразующего состава и свегопрозрачных камер позволяет снизить водопотери и пластическую усадку до минимальных значений, создает благоприятный температурно-влажносгаый режим в среде камеры, что существенно повышает физико-механические свойства бетона. При этом формирование структуры происходит в благоприятных условиях, вследствие чего структура бетона плотная с хорошим контактом между цементным камнем и заполнителем.

4. В свегопрозрачных камерах с использованием пленкообразующего

состава бетон класса В22.5 при температуре воздуха 36°С и влажности 40% к 1 сут возрасту приобретает прочность 50-55%К.28, в 3 сут возрасте достигает 80-90% Яге, к 7 сут возрасту 110-120%К:8, и к 28, 90 сут возрасту более 120%Я28.

5. Применение электрообогрева как дублирующего источника с использованием пленкообразующего состава показало, что прочность бетона в этом случае на 20-17% выше прочности бетона, подвергавшегося электрообогреву, но без применения пленкообразующего состава.

6. Гелиотермообработка бетона в свегопрозрачных камерах под пленкообразующим составом в совокупности с электрообогревом повышает морозостойкость бетонов, она выше по сравнению с бетонами, твердевшими в нормальных температурно-влажностных условиях.

7. Бетоны, подвергнутые электрообогреву, гелиотермообработке в свегопрозрачной камере под пленкообразующим составом, гелиопрогреву под пленкообразующим составом характеризуются в основном плотной структурой растворной части с хорошим сцеплением крупного и мелкого заполнителя с цементирующей массой, а также повышенным содержанием в растворной части равномерно распределенных мелких по размеру пор и более высокой степенью гидратации, в отличие от бетонов, подвергнутых гелиопрогреву под пленкообразующим составом, которые характеризуются более крупнопористой структурой и более низкой степенью гидратации.

8. Исследование формирования температурных полей в бетоне натурных изделий показало, что при гелиотермообработке в свегопрозрачных камерах под пленкообразующим составом блоков и дорожных плит максимальная температура в бетоне составляла 49-51°С (верхние зоны), 47-48°С (средние зоны) и 47-46°С (нижние зоны) при температуре окружающей среды 36°С и минимальной относительной влажности 40%.

Термообработка осуществлялась по мягким режимам с подъемом температуры в бетоне со скоростью 4-5°С/ч, длительность условной изотермической выдержки в камере составляла 5-6 часов при максималь-

юй температуре 52-54°С, остывание происходило со скоростью 1,5-2 °С/ч до температуры 36-34°С в камере.

9. Гелиотермообработка железобетонных плит покрытия дорог ДП-8-2-[ в светопрозрачных камерах с использованием пленкообразующего состава 5ьша внедрена на заводе ЖБИ №2 АО "ПУС" в г.Актау в июле 1995 года, и тозволила повысить качество изделий, получить экономию энергоресурсов, улучшить экологическую обстановку на предприятии.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Аруова Л.Б. Гелиотермообработка железобетонных изделий с использованием пленкообразующих составов //Бетон и железобетон. - N4. -1995.

2. Аруова Л.Б. Характер формирования температурных полей при гелиотермообработке бетона. //Бетон и железобетон (в печати).

3. Крылов Б.А., Аруова Л.Б. Комбинированный метод использования гелиотехнологии на полигонах//Бетон и железобетон (в печати).