СПОСОБ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF HEAT AND MOISTURE TREATMENT OF CONCRETE ARTICLES

Изобретение относится к способу тепловлажностной обработки отформованных бетонных изделий, преимущественно сложной формы, например, зубатых железобетонных шпал. Этот технологический процесс состоит в одновременном воздействии тепла и влаги на цементосодержащие материалы для ускорения их твердения.
Набор прочности цементосодержащих водных растворов при нормальных условиях и естественной влажности требует длительного периода времени - 28 суток. Из-за более быстрого высыхания поверхностного слоя детали происходит нарушение процесса структурообразования, гидролиза и гидратации цементного камня. Это приводит к появлению внутренних напряжений в теле изделия, появлению скрытых дефектов, снижению физико-химических и прочностных свойств. Неравномерность усадки бетона при твердении, в первую очередь, на наружной поверхности, приводит к появлению трещин.
Общеизвестно применение для уменьшения испарения влаги и повышения прочности бетона укрытия твердеющих деталей полиэтиленовой пленкой и периодическое смачивание их водой. Принимаем это техническое решение за аналог.
Известен также способ тепловлажностной обработки бетонных изделий путем регулирования температуры и увлажнения при твердении. Этот метод очень широко используется в производстве. Для сокращения времени достижения бетоном марочной прочности применяется нагрев и создание условий высокой влажности, обычно 80%. Наиболее часто для этого используются пропарочные камеры, в которые по определенной программе производится подача необходимого количества теплоносителя-пара и впрыскивание нужной порции воды. Конденсат и образующиеся стоки отводятся наружу и уносят с собой значительное количества тепла. Способ управления в камерах условиями тепловлажностной обработки описан, например, в патенте RU №2111191. Принимаем его за прототип.
Но нагрев массивных деталей до высокой температуры в специальных пропарочных камерах или автоклавах требует значительных энергозатрат и не обеспечивает достижение гарантированного высокого качества из-за значительного градиента по перепаду температуры и влажности как внутренних, так и внешних слоев бетонных изделий. Кроме того, ухудшаются условия структурообразования цементного камня из-за невозможности достижения 100% влажности и наличия воздуха в капиллярах.
Целью изобретения является снижение энергозатрат и значительное повышение качества тепловлажностной обработки бетонных изделий.
Указанная цель достигается тем, что изделие погружают в воду после завершения процесса схватывания бетона и оставляют под водой до момента достижения прочности бетона в диапазоне от 1 до 100% проектного значения прочности.
Возможен вариант проведения этого технологического процесса под значительным гидравлическим давлением.
Обычно проектное значение прочности детали совпадает с выбранной маркой бетона. Процесс схватывания при температуре 20°C затворенного бетона начинается примерно через 2 часа и продолжается около 1 часа. После этого деталь теряет пластичность и сохраняет свою форму. Процесс твердения с набором марочной прочности бетона при 20°C продолжается 28 суток.
Экономия тепла по новому способу объясняется тем, что горячая вода, имеющая рабочую температуру приблизительно в диапазоне 25-65°C, в процессе нагрева, выдержки и удаления детали из бассейна остается для дальнейшего использования. То есть потеря теплоносителя и вынос его во внешнюю среду, в отличие от пропарочных камер, отсутствует.
Теплоемкость воды многократно превышает теплоемкость бетона. Вследствие этого нагрев изделия до температуры выдержки происходит очень быстро и, что очень полезно, при 100% влажности. Поэтому снижения качества не происходит, так как время нагрева детали для достижения заданной температуры минимально, происходит на начальном этапе твердения, когда структурные преобразования в цементе идут крайне медленно и в реакцию вовлекается не более 1% цемента.
3
Кроме того, третьей основной отличительной особенностью при погружении в воду бетонной детали является удаление воздуха из пор и капилляров. Количество же газообразной фазы по данным НИИЖТ оценивается в 30-40 л/м, и это отрицательно влияет на качестве бетона.
Известно, что структура цементного камня формируется вначале в виде пористого тела с различными хаотично расположенными капиллярами. При погружении в воду схватившегося бетона воздух из них самостоятельно легко и быстро всплывает и удаляется. Влага при отсутствии в порах газа легко и полностью заполняет капилляры, и поэтому очень активно идет процесс гидратации. В начальный период за счет этой реакции образуется перенасыщенный раствор новообразований. Причем новообразования уже не мигрируют по капиллярам, как обычно, так исчезли перемещающие, а также дробящие их пузырьки воздуха. Кроме того, значительно ослабилось на новообразования и вредное действие силы гравитации, так как процесс протекает под водой. Новообразования, выделяясь в виде геля из перенасыщенного раствора, формируют первичную структуру цементного камня. Эта первичная структура имеет вид рыхлого каркаса, который постоянно упрочняется. По новому способу условия формирования прочной цементной структуры являются идеальными.
Объектом применения нового способа могут быть, например, железобетонные шпалы. Для исключения температурного выброса железнодорожного пути, приводящего к аварии, необходимо увеличить усилие сдвига рельсовых опор в щебеночном балласте. Это наиболее эффективно достичь установкой зубьев на подошве модернизируемой шпалы, например, старогодной. Усилие сдвига увеличивается многократно. Зубья могут быть как стальными, так и, например, гранитными, полученными методом каменного литья. Достаточное их количество составляет 10-12 штук на рельсовую опору.
Процесс модернизации старогодной шпалы происходит следующим образом. Шпала поворачивается вверх подошвой и на ней в подрельсовой зоне формируют бетонный выступ высотой 40 мм. В конце периода схватывания цемента, когда раствор еще остается достаточно пластичным и не схватился окончательно, вставляют вертикально зубья. В этот момент их ориентацию в пространстве обеспечивает и сохраняет значительная вязкость, определенная жесткость самой смеси. После завершения схватывания бетонный выступ окружают оболочкой, устанавливаемой с зазором по периметру, заливают водой и поддерживают нужную температуру. Этот метод аналогично может быть использован при модернизации и новых шпал. Стоимость доработки составляет ориентировочно 120 р. В процентном отношении это составляет приблизительно 6% стоимости изготовления изделия. Зубатые шпалы, обладая в несколько раз лучшими характеристиками по устойчивости, позволяют обеспечить высокую надежность и безопасность движения поездов. Это очень актуально, особенно для высокоскоростного движения. Производство железобетонных шпал в нашей стране составляет более 10 млн. шт/г. Кроме того, ежегодно после демонтажа старой шпальной решетки высвобождается 2-3 млн. старогодных рельсовых опор. После устройства на их подошве зубатых выступов площадь сечения тела в подрельсовой зоне увеличивается. Таким образом модернизация шпал кроме значительного увеличения основного технического параметра - усилия сдвига в балласте, повышает и прочность изделия. Это позволит использовать старогодные рельсовые опоры взамен новых на главных путях с самой высокой грузонапряженностью. Получаемый экономический эффект значителен.
Энергозатраты по предлагаемому способу при модернизации шпал минимальные, так как нагрев является локальным, местным - только для выступа, масса которого в 50 раз меньше массы самой рельсовой опоры. Прочность соединения прибетонированной к подошве конструкции высокая и близка к такому параметру у монолита.
Применение изобретения позволяет изготовлять детали самой сложной формы путем присоединения к телу изделия новых, менее крупных частей, выполняя процесс их прибетонирования в водной среде. Кроме того, тепловлажностная обработка по новому способу уменьшает энергозатраты и значительно повышает прочность благодаря созданию идеальных условий для протекания физико-химических реакций во время процесса твердения.