ВВЕДЕНИЕ
В последние годы высокими темпами развивается монолитное домо-/^ строение. В основном возводятся многоэтажные и высотные здания. В связи
с тем, что все работы выполняются на строительной площадке качество строительных работ зависит от каждого технологического этапа. Прочность и долговечность зданий и сооружений могут быть обеспечены только на основе использования качественного бетона и обеспечения его проектных качеств в процессе строительства.
В настоящее время разработан и используется целый ряд эффективных • « методов тепловой обработки монолитного железобетона, обеспечивающих
получение изделий высокого качества при относительно небольших затратах энергии. К ним относятся различные способы электротермообработки - электропрогрев, предварительный электроразогрев бетонной смеси, электрообогрев, тепловая обработка продуктами сгорания природного газа, индукционный прогрев и в последнее время на территории Московской области при строительстве монолитных зданий часто применяется способ выдерживания бетона с использованием греющих проводов, закладываемых в конструкции при их бетонировании.
Процесс выдерживания бетона до достижения требуемой прочности и предохранение его от лишних влагопотерь является одним из главных факторов, оказывающих большое влияние на формирование структуры цементного камня и бетона. При испарении воды, как структурообразующего элемента, в бетоне появляются микро- к макропоры, процессы гидратации протекают не полностью, структура становится дефектной, заметно ухудшаются его физико-механические свойства и долговечность.
Существующие и применяемые в настоящее время способы защиты поверхности бетона от влагопотерь недостаточно эффективны. Одним из эффективных способов предотвращения влагопотерь является использование пленкообразующих материалов.
Проведенными исследованиями также установлено, что прочность обезвоженного бетона независимо от того, когда из него удалилась влага - сразу, ф до или после укладки, на 20-40% (а в отдельных случаях даже на 50%) ниже
прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях. Это объясняется затуханием процессов твердения и увеличением пористости вследствие быстрого испарения из него воды.
Ускоренное высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной усадке (усадка поверхностных слоев бетона выше) и может вызвать появление усадочных трещин. Усадочные трещины могут появиться также и ^ на контакте цементного камня с зернами крупного заполнителя вследствие
сдерживающего влияния последнего на усадку цементного камня.
Однако отрицательное влияние влагопотерь бетона не ограничивается его усадочными деформациями. Вода, испаряясь из цементного камня, оставляет в нем после себя пустоты, которые понижают ого плотность и уменьшают прочность. Несмотря на то, что некоторое количество пор заполняется новообразованиями при гидратации цемента, оставшиеся поры и каналы отрицательно влияют на свойства бетона. Капиллярные поры, образуемые испаряющейся водой, имеющей с материалом физико-механическую связь, благоприятствуют впитыванию и миграции воды, которая замерзает в них при обычных условиях охлаждения (начиная с -6 до -8°С). Капиллярные поры являются основным дефектом строения плотно уложенного бетона, понижающим его морозостойкость и коррозионную стойкость бетона и железобетона.
Исследования показывают, что применение эффективных способов защиты бетонов от влагопотерь используемых для бетонных и железобетонных конструкций, возводимых в жаркое время года, становится весьма важной задачей при современных темпах возведения монолитных зданий.
Целью диссертационной работы является разработка технологии возведения многоэтажных зданий из монолитного железобетона с эффективной защитой бетона при твердении от влагопотерь в любое время года.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи и выполнены:
-исследование вариантов технологических схем производства бетонных работ при возведении монолитных зданий любой этажности с предохранением бетона в рано распалубленных конструкций от влагопотерь;
-изучение факторов, снижающих показатели физико-механических свойств бетона в любое время года и особенно в жаркий период при возведении монолитных конструкций;
-исследование влияния потерь влаги из бетона в процессе выдерживания на его физико-механические свойства;
-изучение основные физико-механических свойств, структурных изменений бетона, твердевшего под пленкообразующими материалами при термообработке.
-разработка рекомендаций по технологии нанесения пленкообразующих составов на уложенный бетон с целью предохранения его от влагопотерь;
Научная новизна работы состоит в том, что:
-разработаны технологические схемы производства бетонных работ при возведении монолитных зданий в жаркое время года с ранней распалубкой конструкций, обеспечивающие их высокое качество и долговечность.
-разработан эффективный метод предохранения свежего бетона в рано распалубленных конструкций от влагопотерь и обеспечение их высокого ка- чества;
-показана взаимосвязь между влагопотерями из бетона раннего возраста и характером нарастания его прочности;
-экспериментально установлены факторы, снижающие показатели физико-механических свойств бетона в жаркое время года;
8
-разработана технология эффективной защиты бетона от влагопотерь при прогреве и при распалубке до достижения им проектной прочности;
Практическое значение работы заключается в следующем:
-разработана технология эффективной защиты бетона от влагопотерь в конструкциях при возведении зданий, при термообработке и при ранней распалубке путем применения пленкообразующих материалов;
-повышена достоверность прогноза изменения физико-механических характеристик бетона при производстве работ в жаркое время года и при термообработке;
-показаны средства малой механизации для нанесения пленкообразующих материалов;
-разработаны рекомендации по защите свежеуложенного бетона рано распалубленных железобетонных конструкций от влагопотерь в любое врем года;
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на научных конференциях в НИИЖБ, ЦНИИОМТП, МГСУ, ГАСИС, а также на заседаниях научно-технических советов ведущих строи-тельных организаций.
Внедрение работы. Основные результаты научных исследований внедрены при строительстве ряда многоэтажных монолитных жилых зданий на территории Московской области, в т.ч. в г. Химки.
Публикации. Основное содержание выполненных научных исследований изложено в 15 научных статьях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных вы- водов, списка использованной литературы, имеющей 117 наименований. Общий объем диссертации 119 страниц, в т.ч. 86 страниц машинописного текста, 28 рисунков и 16 таблиц.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
1.Технологические схемы производства бетонных работ при возведении
монолитных конструкций в любое время года, обеспечивающие их высокое
качество и долговечность.
2. Результаты исследований основных причин низкой прочности бетона конструкций многоэтажных монолитных жилых зданий, возводимых в жаркое время года и при ранней распалубке, вследствие обезвоживания бетона.
3. Результаты теоретических, лабораторных и натурных исследований изменения прочности и долговечности бетона в зависимости от влагопотерь в разном возрасте.
4. Предложенная технология применения пленкообразующих материалов при выдерживании бетона с обеспечением прочностных характеристик долговечности.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, академику Академии Архитектуры и Строительства Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Крылову Б.А., консультанту Лауреа- ту Государственной премии СССР, Заслуженному строителю России, докто-ру технических наук, профессору Абелеву М.Ю., сотрудникам кафедры ИНТ ГАСИС, специалистам и сотрудникам НИИЖБ за помощь при проведении экспериментов.
Особую благодарность выражаю Генеральному директору ЗАО «Химкинское СМУ МОИС-1» Щерба Вячеславу Григорьевичу за предоставленную возможность в проведении экспериментальных работ.
10
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПОТЕРЬ ИЗ БЕТОНА ПОСЛЕ УКЛАДКИ ЕГО В КОНСТРУКЦИИ
^ 1.1. Основные причины низкой прочности бетона конструкций
Причиной низкого качества и низкой прочности бетона при возведении конструкций зданий и сооружений могут быть ошибки и нарушения, допущенные на любом этапе начиная от проектирования составов бетонов до готовой конструкции.
При расчете составов бетонной смеси могут быть не учтены способы .j, приготовления бетонной смеси и неправильно выбраны соотношения компо-
нентов: крупного заполнителя, песка, цемента и воды. Применяемые цементы и добавки могут быть заложены без учета температуры окружающей среды и применяемых на строительной площадке способов выдерживания.
В процессе приготовления бетонной смеси часто нарушается технология приготовления бетонной смеси. Нарушается очередность подачи компонентов бетонной смеси в бетономешалки. Во многих случаях из-за халатности службы изменяются количественное содержание компонентов. В зимнее время использование заполнителей и воды производится без учета их температуры. Бетоны на строительную площадку отправляются с различной начальной температурой.
Доставка бетонной смеси часто производится с нарушениями технологий из-за неправильного перемешивания готовой бетонной смеси по дороге на объект и в зимнее время с охлаждением, а также необоснованным увеличением времени доставки бетонной смеси на объект.
На строительной площадке прочность бетона может быть снижена в ре-зультате неграмотной укладки бетонной смеси, неправильного уплотнения, нарушения температур выдерживания в зимнее время и преждевременного и чрезмерного обезвоживания бетона в летнее время.
11
Во многих случаях прочность бетона снижается в результате самовольного добавления воды, а также различных добавок в бетонную смесь. К потере прочности бетона в сухое и жаркое время может привести ранняя распа-лубка конструкции без обеспечения надлежащих мер по дальнейшему твердению его и достижению требуемой проектом прочности.
1.2. Изменение содержания воды в бетоне при его тепловой обработке
Содержание необходимого количества воды в составе бетонной смеси (^ обеспечивает при нормальных для твердения температурах является одним
из гарантов получения заданной прочности. Количество и состояние воды на стадии формирования структуры являются решающими факторами, представляющими во многом конечные свойства бетона. Неблагоприятный влаж-ностный режим выдерживания, фазовые переходы влаги и ее движение в твердеющем бетоне могут приводить к развитию деструктивных процессов, снижению прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости и долго-^ вечности бетона. Процессы испарения влаги в твердеющем бетоне, завися-
щие как от термодинамического взаимодействия его с окружающей средой, так и от степени приложения теплового воздействия к нему, могут оказывать существенное влияние на интенсивность внутреннего массопереноса, обезвоживание бетона в раннем возрасте и глубину гидратации минералов цементного клинкера.
Необходимое для полной гидратации минералов портландцемента, составляет всего около 22% от его массы. Однако на практике для обеспечения jv удобоукладываемости бетонной смеси ее вводят более 40% от массы цемен-
та. Согласно схеме П.А.Ребиндера [83] построенной по принципу интенсивности энергии связи, вода в бетоне подразделяется на химически связанную, физико-химически связанную и связанную физико-механически. Химически-
12
связанная вода, имеющая ионную и молекулярную связь с веществом, т.е.входящая в состав новообразований, удерживается наиболее прочно и при нагревании тела до 120-150°С не удаляется. К физико-химически связанной воде в основном относится адсорбционная влага мономолекулярных слоев, а также влага с осмотической связью. К физико-механически связанной воде относится влага, находящаяся в капиллярах, жидкость смачивания, а также адсорбционная влага полимолекулярных слоев.
В массопереносе при термообработке бетона в основном участвует влага физико-механической и физико-химической связи.
Как показывают исследования, процесс испарения влаги из свежеуло-женного и уплотненного бетона имеет два периода, характеризуемых постоянной и падающей интенсивностью испарения [11, 21, 23, 24, 25, 27, 54, 60, 82]. Начальный период твердения характеризуется постоянной и максимальной величиной интенсивности испарения влаги из бетона. В этот период интенсивность испарения с его поверхности не лимитируется внутренним массопереносом и зависит от разности парциального давления пара у поверхности бетона и в окружающей среде, т.е. от скорости диффузии пара в воздухе ч7^ при постоянстве его парциального давления. При достижении определенной
влажности бетона наступает период падающей интенсивности испарения, ограниченный внутренним массопереносом и характеризуемый углублением зоны испарения и обезвоживанием бетон» от периферии к центру.
Исследования показывают, что новообразования, возникающие при гидратации цемента, переносятся свободной водой, в которой они растворены, с последующей кристаллизацией из перенасыщенного раствора. Капилляры, из которых испарилась вода, не могут быть полностью заполнены новообразо-Х7 ваниями, поэтому преждевременное испарение воды из цементного камня
сопровождается образованием в нем пустот, заполненных воздухом. Реакция гидратации может вообще прекратиться после испарения из бетона большого количества воды и вследствие этого может произойти его пересушивание.
13
Как известно внешний массообмен твердеющего бетона связан с миграцией воды внутри материала. Процессы внутреннего массопереноса в клас-
сических капиллярно-пористых телах рассмотрены в работах [9, 17, 53, 54] и if*
др., в которых было показано, что они происходят под воздействием диффузионно-осмотических и капиллярных сил, возникающих в процессе сушки. Однако как указывают И.Б.Заседателев и В.Г.ГТетров-Денисов [25], твердеющему бетону свойственна меньшая интенсивность испарения влаги по сравнению с классическими капиллярно-пористыми телами. Это объясняется химизмом процессов гидратации. Парциальное давление водяных паров над пересыщенным раствором минералов цементного клинкера меньше, чем над свободной поверхностью воды, что и обусловливает снижение интенсивности испарения влаги из твердеющего бетона в связи с сокращением разности парциальных давлений водяного пара между средой к поверхностью бетона. Схему испарения воды можно представить следующим образом [32]: в первую очередь испаряется вода из крупных и мелких капилляров. После испарения капиллярной воды увеличивается количество газообразных включений, которое объединяется в систему капиллярных ходов. В результате этого VT^ процесс испарения распространяется вглубь бетона. Затем, вследствие нали-
чия сквозных пор, наблюдается испарение пленочной и сорбированной воды с поверхности зерен. Так как бетон представляет собой капиллярно-пористое тело, естественно предположить, что влага испаряется не с геометрической поверхности бетона, ас некоторой глубины, т.е. образуется зона испарения влаги из бетона [107]. В пределах этой зоны вода из жидкого состояния переходит в парообразное и через систему пор и капилляров испаряется в окружающую среду. За счет испарения влаги с поверхностной зоны создается ¦ перепад между глубинными и поверхностным слоями материала, что являет-
ся условием перемещения влаги из нижележащих слоев к поверхности.
Установлено, что при повышении температуры и понижении относительной влажности воздуха скорость испарения воды со свободной поверх-
14
ности увеличивается в несколько десятков раз по сравнению с нормальными условиями.
, Л Направление и интенсивность перемещения влаги определяются вели-
чинами температурных и влажностных градиентов в бетоне и между бетоном и окружающей средой [8, 24, 25]. Наиболее интенсивно влагоотдача происходит, когда направления этих градиентов совпадают. Такие условия имеют место при кондуктивной и конвективной термообработке конструкций с верхней неопалубленной поверхностью. Повышенная температура бетона является причиной возникновения большого температурного градиента между ним и окружающим воздухом, а теплопотери с неопалубленной поверхно-сти определяют перепад температуры по высоте конструкции [41, 65], что способствует перемещению влаги в бетоне к поверхности испарения. Причинами этого явления, экспериментально исследованного А.ВЛыковым в 1934 г. и названного им термовлагопроводностью в зависимости от структуры капиллярно-пористого тела, влажности, градиента и уровня температуры, могут быть разные по своему механизму физические процессы.
По мнению авторов [76], важнейшим из них является термокапиллярный
KVl эффект. В условиях неполного насыщения капиллярно-пористого тела вла-
гой, когда она распределена в порах в виде пленок на их стенках с образованием менисков в местах сужения пор и капилляров, градиент температуры вызывает градиент поверхностного натяжения воды в менисках. Под действием градиента поверхностного натяжения воды в менисках происходит термокапиллярное движение воды в сторону большего поверхностного натяжения, т.е. в сторону понижающихся температур. Но при наличии перепада температур в полностью увлажненных капиллярно-пористых телах может происходить перемещение жидкости против теплового потока, в сторону более высоких температур - явление термоосмоса. Этот процесс обусловлен различием в удельном теплосодержании жидкости в тонком пограничном слое у поверхности пор и капилляров и в объеме. Однако интенсивность пе-
15
реноса жидкости против теплового потока за счет термоосмоса при одном и том же градиенте температуры ничтожна, чем интенсивность термокапил- лярного потока жидкости по направлению теплового потока. Здесь следует учесть и градиент парциального давления насыщенного пара, который вызовет диффузионный перенос влаги в виде пара от мест с более высокой температурой к местам с более низкой. Таким образом, будет происходить перенос влаги по направлению теплового потока. Разность между влажностью свеже-отформованного бетона и влажностью окружающей среды ведет к испарению влаги из бетона, что в свою очередь создает в бетоне влажностный градиент, содействующий подсосу влаги из глубинных слоев к неопалубленной поверхности.
Степень влияния градиентов температуры и влажности зависит от условий окружающей среды. В отличие от технологии зимнего бетонирования, где главным является температурный градиент, при термообработке бетона в условиях сухого жаркого климата, определяющим будет влияние градиента влажностей бетона и среды. Однако и в последнем случае по сравнению с условиями твердения бетона без термообработки будет сильно сказываться влияние повышенной температуры бетона, которая не только определяет повышенное значение температурного градиента, но и увеличивает энергию воды в бетоне, значительно облегчая этим ее путь к испарению. Таким образом, основными факторами, влияющими на величину испарения влаги являются повышенная температура бетона и пониженная влажность среды, характерные для беспаровых методов термообработки.
Как показали исследования И.Б.Заседателева и Б.И.Богачева [24] при температуре бетона, равной 60°С интенсивность испарения в 10 раз выше, чем при температуре 20°С. Для бетона с температурой 60°С в условиях сухого жаркого климата, при тепловой обработке в термоформах и на полигонах, интенсивность испарения возрастает в 5 раз при скорости движения воздуха 2,6 м/сек, по сравнению с условиями неподвижной среды.
16
По данным Американского института бетона [73], в результате снижения относительной влажности среды с 70% до 20% при одинаковой темпера-,. туре воздуха и бетона скорость испарения увеличиваете в 2-2,5 раза, а при
увеличении скорости ветра от 0 до 5 м/сек - в 3-3,5 раза.
С.В.Александровский исследовал влаго-физические свойства бетонов в зависимости от различных факторов при твердении в нормальных температурных условиях [4, 43]. Изучая процессы твердения при тепловой обработке в среде с пониженной относительной влажностью В.Н.Сизов и Г.А.Бужевич нарастание прочности бетона связывали с потерей им влаги [4,43]. После тепловой обработки длительностью 24 часа при температуре 60°С и относи-тельной влажности ф = 30% бетон терял 38%, а к 28 суткам - 65% воды за-творения. Проведенные исследования показали, что при потере 30% воды за-творения бетон достигает марочной прочности только к 3 месяцам последующего твердения.
Исследования по защите твердеющего бетона от высыхания проведенные В.М.Москвиным показали, что бетон достаточной консистенции (0К = 5
см; В/Ц = 0,60), находящийся при температуре среды 37-40°С и относитель-
-л
к ной влажности ср = 40%, потерял до 55% влаги. Прочность бетона к 28 сут-
кам в этом случае составила всего лишь 65% от R28 [68].
Н.А.Мощанским было установлено [43], что при потере бетона до 60% воды затворения наблюдается полное прекращение роста прочности, которая при дальнейшем увлажнении может снова нарастать. При наличии значительного обезвоживания (пересушивания) бетона, особенно в раннем возрасте, дальнейшее твердение при увлажнении, как правило, уже не может полностью восстановить всю потенциальную прочность бетона.
•; Ряд исследований по испарению влаги из бетона был выполнен
Г.А.Бужевичем [4]. Он показал, что на испарение влаги из бетона оказывает влияние температура, относительная влажность и скорость движения среды, условия хранения, вид цемента, В/Ц, модуль открытой поверхности, возраст,
17
объем бетона и т.д. Потери влаги бетонами в процессе злектронагрева изучались В.М. Медведевым [64].
,л В течение последних лет были проведены исследования по изучению
кинетики испарения влаги, влиянию внешнего и внутреннее тепломассообмена на физико-механические свойства бетона. Было установлено, что на характер влагопотерь при тепловой обработке будут влиять, кроме вышеперечисленных факторов, и все параметры тепловой обработки, значение которых тем или иным образом отражается на формировании бетона. К таким параметрам относятся время и условия предварительного выдерживания, скорость подъема температуры, продолжительность и температура изотермического прогрева, скорость охлаждения, условия хранения изделий после термообработки и т.д.
Согласно исследованиям Крылова Б.А., Копылова В.Д. [32, 37] при электропрогреве в интервале температур от 40 до 80°С (при параметрах окружающей среды ф = 65-75 % и t = 20-22°С) повышение температуры прогрева на 1°С вызывает увеличение испарения влаги на 0,5% от начального водосодержания. Повышение скорости разогрева вызывает увеличение испа-рения влаги за время прогрева. Изменение скорости подъема температуры с 20 до 240°С в 1 ч приводит к увеличению испарения воды из тяжелого бетона более чем в два раза, из керамзитобетона - в два раза.
Основательные исследования влияния относительной влажности среды при тепловой обработке на структуру и свойства бетона, кинетики формирования капиллярно-пористой структуры бетона и нарастание его прочности после окончания термообработки проведены Малининой Л.А. и Куприяновым Н.Н. [9, 43, 56, 57]. При этом исследованы закономерности испарения 'к ; влаги при различных способах подвода тепла. Максимальное количество
влаги (101,2 лАм3 ) испарилось при одностороннем кондуктивном прогреве с открытым холодным концом при температуре греющей поверхности 99°С и относительной влажности окружающей среды ф = 0,50-0,53. Установлено, |
