Главная  Материалы 

 

Сущность процесса гидратации

 

Что было бы, если бы мы начали призводить дома на заводе? Это предполагает поточные линии, стопроцентную механизацию, автоматизацию отдельных операций — все огромные плюсы промышленных методов. В результате с конвейерных линий ежедневно сходят новые дома, а в печати мы читаем сообщения: . . . Сегодня домостроительный комбинат №... выпустил 100-тысячную за год квартиру ... .

 

Подобная, хотя и не столь идиллическая картина для нас не новость. Сборное строительство постепенно становится частью нашей будничной жизни, и мы почти не отдаем себе отчета, какая революция произошла в строительстве, какой гигантский скачок был сделан от векового традиционализма к нашему времени.

 

Разумеется, производят не готовые дома, а части домов отдельные сборные элементы, которые монтируют на объекте. По-видимому, обычная фаза неизбежна, но она может измениться до неузнаваемости. Существует стремление перенести как можно больше процессов в заводские условия, выполнять там даже штукатурные и плиточные работы, работы по устройству полов, монтировать коммуникационные сети, изготовлять полностью укомплектованные санитарные узлы, так чтобы оставалась только сборка здания, а пресловутые отделочные работы были сведены к минимуму.

 

Сейчас на домостроительных комбинатах и строительных заводах НРБ выполняется около 80% всех работ по сооружению зданий. Высокие темпы, которые достигаются благодаря этому, сделали сборное строительство в Болгарии и других социалистических странах направлением номер 1 .

 

Несколько слов об элементах, применяемых в сборном строительстве. Часто они весят десятки тонн, не менее внушительны и их размеры. Но точная величина это проблема из проблем. С одной стороны, чем больше элементы, тем лучше, тем большая часть работ выполняется на заводе (что означает дополнительный заводской эффект). Так что с этой точки зрения желательно, чтобы сборные элементы имели размеры здания, которое строится, и на строительной площадке вообще не производились строительные работы как таковые.

 

Но тогда возникает вопрос: как перевозить с завода на объект такие огромные элементы? Дороги и дорожные сооружения предусмотрены для транспортных средств со строго определенными габаритами, которые не могут быть превышены. Мосты рассчитаны на предельную загруженность проезжающего по ним транспорта, которая представляет собой отнюдь не астрономическое число. А сами транспортные средства, которые будут перевозить элементы? Двухсоттонные автомобили-гиганты в наше время являются пределом. Кроме того, доставленные каким-либо образом на объект элементы должны быть смонтированы, а подъемные средства тоже имеют ограниченные возможности.

 

Поэтому от целого мы неизбежно придем к более мелкой его части.! Возникает ряд конструкторских проблем в связи с тем, как разрезать на части монолитную конструкцию, чтобы существенно не пострадала ее статическая работа, а соединения между отдельными элементами (кото-; рые выполняются на стройплощадке) не оказались слишком сложными и трудоемкими. Например, в случае расчленения многоэтажного каркасного здания по высоте существует несколько возможностей. Рассмотрим две из них.

 

Стойки разрезаются в уровнях перекрытий. Такое расчленение имеет большие преимущества с точки зрения технологии, однако соединения между элементами должны непременно воспринимать и изгибающий момент (именно в уровне перекрытия моменты при землетрясениях и ураганах достигают наибольшей величины). Следовательно, необходимо обеспечить непрерывность арматуры в месте соединения, что не так просто. Вообще жесткие соединения являются самыми дорогими, самыми трудоемкими и требуют наибольших затрат времени. Если же, несмотря ни на что, мы откажемся от жестких соединений, надо будет проектировать специальные вертикальные диафрагмы, которые бы воспринимали усилия при землетрясениях, и ураганах.

 

Колонны разрезаются в уровнях, расположенных между смежными перекрытиями. Такое расчленение приводит к трудностям производственного и строительного характера, но зато соединения между колоннами упрощаются они могут быть и нежесткими (в определенных местах моменты при ветре и землетрясении значительно меньше). Однако связи между балками и колоннами должны быть жесткими, т. е. должны воспринимать изгибающие моменты (так же, как и в первом случае) .

 

Проблема соединений конкретно решается на фоне конкурентной борьбы двух методов: сварки и замоноличивания бетоном. Сварка обеспечивает высокие темпы работ, но если она доминирует, мы выходим за рамки специфики железобетона и вступаем на территорию стальных конструкций, что не может не отразиться на стоимости строительства. С другой стороны, более естественный в данном случае метод — замоноличивание — является весьма трудоемким и приводит к снижению темпов работ. Поэтому два метода соединения элементов применяются в принципе совместно (да иначе и быть не может), но их взаимное дозирование является довольно сложным делом.

 

Не последнее место при расчленении занимают и соображения инженера-технолога завода, на котором изготовляются элементы. Желательно, чтобы элементы имели как можно более простые сечения и линейные очертания, без выступающих частей, углублений и т. д. Сложные контуры элементов затрудняют их изготовление, хранение, транспортировку и монтаж. Но все это желательные, а не обязательные требования.

 

Пределом укрупнения сборного строительства являются так называемые объемные элементы, которые имеют размеры помещения или группы помещений. Существует четкое стремление к тому, чтобы они поставлялись заводом-изготовителем в полностью укомплектованном виде (только что без занавесок и картин на стенах). Определенно можно сказать, что им принадлежит будущее. Внедрение методов строительства зданий из таких элементов в СССР, ГДР и НРБ является живой иллюстрацией аллегорического выражения растет не по дням, а по часам . Предпринимаются попытки их транспортировки и монтажа с помощью вертолетов и даже дирижаблей. Это тот путь, который поможет сборному строительству пррникнуть и в наиболее труднодоступные районы.

 

А каковы возможности сборного строительства? Практически не ограниченные. Строятся даже сборные дороги и аэродромы. Новый метод оказался незаменимым не только в жилищном, но и в промышленном строительстве: короткие сроки строительства определяют быстрый ввод новых мощностей и приближают на целые годы дату их окупаемости. В НРБ промышленные здания строятся именно таким образом. Разработанная в стране еще в 60-х годах Номенклатура сборных элементов одноэтажных промышленных зданий , которая постоянно совершенствуется и дополняется, позволяет проектировщику в буквальном смысле слова собирать из каталогизированных элементов самые разнообразные промышленные здания, удовлетворяющие нужды почти всех видов производства. Это здания каркасно-панельной системы. После монтажа основных несущих элементов (стоек, балок) полученный каркас ограждается соответствующими стеновыми, кровельными и свегопрозрачными панелями.

 

Для магазинов, общественных и административных зданий, лечебных учреждений и учебных заведений в НРБ внедряются все более эффективные сборные системы каркасно-панельные, каркасно-безбалоч-ные и смешанные, что являются результатом ответственной творческой работы по типизации и унификации архитектурно-эксплуатационных и конструктивных параметров. Вопрос этот имеет исключительно важное значение, поскольку типовой проект обеспечивает односерийность домостроительных комбинатов, а именно это и является основой наибольшей эффективности индустриальных методов. Однако, с другой стороны, типовой проект приводит к безрадостному однообразию архитектуры жилой застройки, которое всем нам хорошо знакомо. Необходимая гибкость, т. е. возможность с помощью определенного набора унифици- , рованных элементов вносить разнообразие не только в планировочную схему, но и в эстетический облик зданий, вполне достижима и в сборном ; строительстве ближайшего будущего.

 

Бесспорно, самой распространенной формой сборного строительства, часто отождествляемой с ним самим, является критикуемое, осмеиваемое и тем не менее спасительное крупнопанельное строительство. Элементы (стены, перекрытия) с размерами на комнату исключительно технологичны и к тому же оказываются решающими для сальдо, которое специалисты подсчитали еще в 50-е годы. Сейчас нет другого средства, чтобы решить проблему жилищного кризиса, который наблюдается почти во всех странах мира. То обстоятельство, что крупнопанельное строи тельство еще далеко не совершенно, — другой вопрос. Однако не следует забывать, что и появилось оно сравнительно недавно. Против монотонности его архитектурного облика и жестких планировочных реше ний мыслью и карандашом борется уже второе поколение специалистов. . . И все же в значительной степени это проблемы сборного строительства в целом. Но именно в жилищном строительстве (по вполне понятным причинам) его недостатки драматизируются и становятся ; предметом всеобщего обсуждения, чем неоднократно пользуются неком петентные противники сборного метода. Сейчас от технологов требуется все, на что они способны. Не составляют исключения и заводы по изготовлению сборных элементов. Надо ли, чтобы бетон достигал окончательной прочности, на которую рассчитана конструкция? Разумеется, нет. Достаточно, чтобы он достиг прочности, достаточной для транспортировки (довольно малой), и элемент уже на пути к объекту. Но нельзя ли сократить и те несколько дней, в течение которых бетон набирает транспортировочную прочность? Ответ здесь может быть только один: да. Используются различные методы для ускорения процесса схватывания и твердения бетона электронагрев, инфракрасное излучение и дни сводятся к часам. А почему бетон должен быть тяжелым? Если он станет легче . .. немного легче, это даст столько новых преимуществ: элементы будут больше, транспортировка и монтаж проще, а строительство быстрее. Именно поэтому внедряются легкие бе- . тоны на базе легких заполнителей природного и искусственного происхождения.

 

Объект, который строится сборным методом, выглядит совсем не так, как может представить нам наше не лишенное инертности воображение. Нет бетономешалки, каркаса, не слышно стука топоров и визжа- Л ния пил. Трудно увидеть и людей — их совсем мало. Зато обращает на себя внимание работа подъемного крана — автокрана или башенного крана, он — основная фигура на объекте. Есть несколько монтажников, несколько сварщиков — и это все. Человек может возводить огромные корпуса при минимальных трудозатратах и притом за считанные дни. Резкое снижение затрат живого труда одно из самых ценных качеств сборного строительства. Это один из важнейших показателей современного производства. В этом отношении наше строительство сделало качественный скачок вперед, который позволил при относительно трудных и специфических условиях добиваться результатов, соответствующих темпам производительности труда других отраслей производства.

 

Что же сказать в заключение? Может быть, то, что сборность принцип, естественный только в случае применения стальных и деревянных конструкций. Применение его для железобетона является не таким легким и не таким естественным. Для железобетона естественна монолитность, с нарушением которой мы многое выигрываем, но многое и теряем. Однако окончательный баланс — в пользу сборности.

 

Таким образом, без воды твердение невозможно.

 

Твердение цемента — очень сложный физико-химический процесс, который здесь будет рассмотрен упрощенно. Гидратацию рассмотрим в двух аспектах: как пространственный процесс (какие объемы занимают новообразования и какую структуру они имеют) и как химический процесс (каков состав новообразования).

 

Под гидратацией понимают реакции клинкерных составляющих с водой (присоединение води), причем образуются твердые новообразования (гидраты), которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объем плотным наслоением гелевых частиц, вызывая тем самым упрочнение.

 

Можно различить следующие процессы.

 

Первоначально жидкий или пластичный цементный клей превращается в результате гидратации в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, дальнейшая—упрочнением, или твердением.

 

К этому моменту практик говорит, что цемент «схватывается». Через 8—10 ч весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов, который вследствие возникновения из С3А называется также «алюминатной структурой». Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, и происходит быстрое нарастание прочности. В оставшихся пустотах возникают одновременно, но сначала гораздо менее интенсивно продукты гидратации клинкерных минералов C3S и C2S. Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру в. Значение этой структуры все более увеличивается. Она является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. В возрасте 28 сут (обычный срок испытания цемента и бетона) обнаруживается только силикатная структура г.

 

Гидратация как пространственный процесс. Ответ на вопрос о том, какие образования возникают при гидратации, дан на 19, где представлены продукты гидратации, возникающие в разное время. Одновременно показана кинетика нарастания прочности.

 

-введения добавок (разд. 2. ,

 

Цементные частицы в виде дробленых зерен окружены водой затворе-ния, объем которой относительно велик (50—70 объемных процентов). Этот объем заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная структура (цементный камень). Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут возникают как на поверхности зерен, так и в воде иглообразные кристаллы а. Через 6 ч уже образуется так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи (б — в нижней части рисунка два крупных кристалла образуют двумя зернами цемента).

 

2 Гидратация цемента в цементный клей (представлена на примере объемных изменений цементного клея, состоящего из 100 г Цемента и 40 г воды — ВЩ = 0,

 

Кроме того, видны и неиспользованные цементные зерна (в — сверху, в середине). К этому времени процесс гидратации еще не закончен, в ряде случаев он может продолжаться годы. Возникновение продуктов гидратации рассматривают как гелеобразование, а продукты гидратации — как гель. Скорость, с которой протекают эти процессы, зависит от: Ф крупности цементных зерен (тонины помола цемента): 9 минерального состава клинкера цемента; количества воды, которым замешивается цемент; температуры гидратации;

 

До сих пор мы исходили из того, что цементный клей состоит из 1 ч. массы цемента и 0,4 ч. массы воды. На практике это не всегда так. Если количество цемента больше, то количество воды будет недостаточном, чтобы полностью гидратировались цементные зерна, и в цементном камне останутся непрореагировавшие зерна цемента.

 

2 Объемные соотношения в цементном камне при различном В/Ц и максимально возможной степени гидратации (диаграмма и схема)

 

Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного количества воды от его массы. Из нее только 60% (т. е. 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40% исходной воды остаются в порах геля (гелевые поры) слабо связанными. Размер гелевых пор около 3-10~7 мм. Они неизбежны и служат причиной тонкопористого строения гелевой массы. При химическом связывании вода, в какой-то мере, претерпевает объемную контракцию, которая составляет приблизительно Д ее первоначального объема. Поэтому плотный обьем геля (без пор) на такую величину меньше суммы объемов исходных компонентов цемента и воды. Этот процесс называют усадкой, а освобождающийся в цементном камне объем — объемом усадки. При наличии воды именно этот объем пор заполняется водой. При полной гидратации цементного клея получаем гель, объем которого примерно на 30% состоит из пор. Схематически объемные изменения представлены на 20.

 

При большем количестве воды часть ее не участвует в процессе гидратации и образует в цементном камне так называемые капиллярные поры диаметром около Ю-3 мм, которые на несколько порядков больше гелевых пор. Примерно таких же размеров достигают и пустоты, возникающие в результате уже упомянутой усадки. Таким образом, соотношение масс воды л цемента в значительной мере определяет структурные отношения в цементном камне.-Пользуясь этим соотношением, можно определить важнейшие физические свойства цементного камня. Поэтому соотношение масса воды =водоцементное масса цемента отношение (В/Ц) имеет определяющее значение в технологии бетона.

 

Все изложенное здесь позволяет вывести некоторые важные закономерности, характерные для цементного камня: процесс гидратации протекает постепенно; получающийся в результате цементный камень, хотя и является твердым телом, но имеет тонкопористую структуру; в цементном камне различают поровое пространство усадки и геля(которые неизбежны) и капиллярное поровое пространство (возникающее в увеличивающемся объеме, если цементный клей содержит более 0,4-кратного по отношению к цементу количества воды, т. е. если он подвержен влиянию водоцементного отношения).

 

1 — объем гелевых пор; 2 — объем капиллярных пор; 3 — объем усадочных пор; 4 — масса геля; 5— неиспользованный цемент; 6 — вода; 7 — цементное зерно; 8 — капиллярные поры (вода)

 

Гидратация как химический процесс. Твердение, представленное как пространственный процесс, теперь рассмотрим как химический процесс. Из разд. 2 известно, что цемент в основном состоит из четырех клинкерных минералов: C3S, C2S, C3A, C4AF.

 

На 21 представлены объемные соотношения при различных значениях В/Ц и предельно возможной степени гидратации. Можно видеть, что суммарная пористость цементного камня тем больше, чем больше значение В/Ц (другими словами, чем меньше цемента в цементном клее). Эти схемы и диаграмма приведены с целью наглядного представления для различных В/Ц, хотя и не вполне отвечают действительности.

 

Анализ уравнений реакции позволяет сделать некоторые важные заключения. Во-первых, при гидратации возникают совершенно новые вещества. В процессе взаимодействия клинкерных минералов C3S и СгЗ с водой образуются гидросиликаты кальция и, кроме того, гашеная известь [Са(ОН)2], остающаяся внутри цементного камня. Этому явлению мы обязаны тем, что помещенная в цементный клей сталь не ржавеет, благодаря чему стало возможным существование железобетона. Кроме того, следует помнить и о том, что при гидратации выделяется тепло.

 

По значению В/Ц цементного клея можно оценить пористость возникающего из него цементного камня и сделать выводы о его физических свойствах.

 

Продукты гидратации клинкерных минералов различаются и по химическому составу.

 

Возникающие таким образом продукты гидратации представляют собой уже упомянутый гель. Для простоты обозначают их так же, как и клинкерные минералы, из которых они возникли (например, силикат кальция — гидросиликат кальция). Продукты гидратации отдельных минералов имеют специфические свойства, знание которых необходимо для дальнейшего понимания процесса твердения.

 

Это практик обязательно должен знать. И особенно следует помнить об этом при выборе цемента для возведения определенных конструкций и при выборе той или иной технологии изготовления бетонных сооружений. Продукты гидратации клинкерных минералов различаются также по прочности. Из 22 видно, что главными носителями прочности являются силикаты кальция.. Особенно интересно, что клинкерный минерал с быстрым нарастанием прочности (C3S) выделяет большее количество тепла (502 Дж/г), чем клинкерный минерал с более медленным нарастанием прочности (C2S — 206 Дж/г).

 

Механизм действия можно себе представить следующим образом. Очень быстро возникающие кристаллы эттрингита образуют оболочки вокруг цементных зерен. При этом затрудняется доступ воды и замедляется процесс гидратации. Без добавки гипса получился бы мгновенно схватывающийся цемент — «быст-ряк». Объемное расширение опасно, когда оно происходит в уже затвердевшем цементном камне (бетоне).

 

Продукт гидратации называется этт-рингитом и раньше из-за своей палочковидной формы и вредного влияния назывался «цементной бациллой». Для этой реакции характерно, что присоединение 32 молекул воды вызывает сильное приращение объема по сравнению с объемами исходных компонентов: СзА и гипса. Увеличение объема безопасно до тех пор, пока оно происходит в пластичной матрице. В свежезамешенном цементном клее образование эттрингита вызывается с целью регулирования скорости твердения.

 

2 Нарастание прочности клинкерных минералов

 

При этом наблюдается 4,6-кратное увеличение объема. Подобные реакции в затвердевшем цементном камне приводят к возникновению напряжений, нарушению структуры и ее разрушению (сульфатная коррозия). Поэтому для бетонных объектов, подверженных сульфатному воздействию, следует применять цементы, бедные СзА, чтобы ограничить или исключить образование эттрингита. Итак, при гидратации клинкерных минералов C3S и C2S образуется помимо гидросиликатов кальция гашеная известь Са(ОН)2, .Она предотвращает развитие коррозии стали, помещенной в цементный камень; в процессе гидратации клинкерных минералов выделяется разное количество тепла; в результате гидратации клинкерных минералов образуется искусственный камень с различной прочностью; продукт гидратации С3А неустойчив по отношению к сульфатам. Возникает эттрингит, причем изменение объема может привести к разрушению цементного камня (сульфатная коррозия); в зависимости от поставленных задач в строительстве применяются цементы с различной долей каждого из клинкерных минералов, причем в качестве основных критериев при выборе служат четыре приведенных выше.

 



Песколовки. Санитарно-химические показатели загрязнения сточных вод. "шлягер" каркаса. Систематизация факторов. Системы водоотведения на подтапливаемых территориях. Склады арматурной стали. Скользящая опалубка.

 

Главная  Материалы 



0.0019