способ изготовления бетонных и железобетонных изделий и технологическая линия для их производства

Формула изобретения

1. Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий на основе цементного вяжущего, включающий приготовление бетонной смеси, послойную укладку бетонных смесей разных составов в форму, в том числе с установленной арматурой, послойное виброуплотнение бетонных смесей с различными характеристиками вибрации для каждого слоя, выдержку свежеуложенного бетона в форме до набора распалубочной прочности в естественных условиях с использованием тепловыделения в результате экзотермической реакции цементного материала с водой и распалубку затвердевших изделий, при этом заполнение формы осуществляют послойно с формированием верхнего и нижнего слоев из бетонной смеси с составом на основе композиционного вяжущего, а среднего слоя - из другого состава на основе цементного материала, отличающихся термохимическими свойствами, а также использованием вяжущего для нижнего и верхнего слоев с индукционным периодом в несколько часов, с замедлением в них скорости гидратации, структурообразования и твердения по сравнению с вяжущим среднего слоя, при этом соотношение высоты указанных слоев от 1:10:1 до 1:1:1, а виброуплотнение бетонной смеси производят отдельно в каждом из слоев в два приема: после укладки бетонной смеси - вертикальными вибрационными колебаниями с разными характеристиками для каждого слоя и (или) поверхностным виброформованием со сплошным или решетчатым виброштампом в течение 30-60 с, при этом время вибрирования 1-го слоя выбирают в диапазоне 1-8 мин с частотой вибрации 50-60 Гц и амплитудой 0,8-1,5 мм, для 2-го слоя - 1-16 мин с частотой вибрации 45-55 Гц и амплитудой 0,6-1,2 мм, для 3-го слоя - 1-8 мин с частотой вибрации 40-50 Гц и амплитудой колебаний 0,3-0,8 мм, причем бетонную смесь уплотняют в каждом из трех слоев до массового выделения на их открытой поверхности крупных воздушных пузырьков, без уменьшения содержания гелевых пор, обеспечивающих высокую морозостойкость, а температурные условия для ускорения набора прочности подбирают с учетом создания нижним и верхним слоями эффекта термоса для среднего слоя, в котором обеспечивают выбором цементного материала опережение по времени процессов тепловыделения с последующим их влиянием на скорость гидратации в нижнем и верхнем слоях, в которых по мере протекания собственных химических процессов и ускорения их саморазогревом среднего слоя увеличивающееся количество тепла, в свою очередь, оказывает температурное воздействие на средний слой по принципу резонанса, при этом величину максимального тепловыделения и темп процессов гидратации отдельных участков и изделия в целом в ранние сроки регулируют при проектировании технологических слоев бетонной смеси.

2. Технологическая линия для изготовления бетонных и железобетонных изделий способом по п.1, содержащая последовательно установленные и технологически связанные помольный агрегат для изготовления цементных вяжущих с различными термохимическими характеристиками, смеситель принудительного действия, пост изготовления и установки арматуры в форму для изготовления железобетонных изделий, формовочный пост, пост выдержки отформованных изделий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства бетонных и железобетонных изделий, в частности способу изготовления бетонных изделий для покрытия автомобильных дорог, трамвайных и внутризаводских рельсовых путей, и позволит создать бетонные и железобетонные конструкции с высокими эксплуатационными качествами.

Известен способ изготовления бетонных и железобетонных изделий, включающий приготовление бетонной смеси, укладку смеси в форму, в том числе с установленной арматурой, виброуплотнение бетонной массы, выдержку отформованных изделий в форме до набора распалубочной прочности в естественных условиях и их распалубку (Гершберг О.А. "Технология бетонных и железобетонных изделий" М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1957, с.71, 108-114, 137,178, 199, 203, 205-209, 226).

Известны способы послойной укладки бетонных смесей различных составов в форму "лицом вниз" при получении слоистых изделий (SU 2017908 С1, E 04 C 2/06, 15.08.1994 и RU 2194133 C1, E 04 С 2/24, 10.12.2002).

Однако бетонные изделия, изготовленные известными способами, характеризуются недостаточно высокой прочностью и морозостойкостью.

Цель предлагаемого изобретения - повышение прочности и морозостойкости изделий.

Сущность изобретения состоит в том, что заполнение формы, в том числе и с установленной арматурой, бетонной смесью осуществляется 3-мя слоями, состоящими из разных составов, методом послойного вибрирования "лицом вниз" по следующей схеме:

1-ый слой - нижний, лицевой гладкий или рельефный, высотой 10-100 мм;

2-ой слой - средний, основной, высотой 30-300 мм;

3-ий слой - верхний, защитный, высотой 10-100 мм.

Соотношение высоты слоев находится в диапазоне от 1:10:1 до 1:1:1.

Виброуплотнение бетонной смеси производится отдельно в каждом из слоев, в том числе в два приема: после укладки бетонной смеси применяют вертикальные вибрационные колебания с разными характеристиками для каждого слоя, и (или) затем для создания поверхности раздела каждого слоя используют сплошной или решетчатый виброштамп в течение 30-60 сек. Время вибрирования - 1-го слоя выбирают в диапазоне 1-8 минут с частотой вибрации 50-60 Гц и амплитудой 0,8-1,5 мм, для 2-го слоя - 1-16 минут с частотой вибрации 45-55 Гц и амплитудой 0,6-1,2 мм, для 3-го слоя - 1-8 минут с частотой вибрации 40-50 Гц и амплитудой 0,3-0,8 мм. Общее время вибрирования составляет от 3 до 32 мин.

Для достижения поставленной технической цели на основе запроектированных рациональных составов бетонов, приготовления, укладки, виброуплотнения бетонной смеси и метода твердения изделий создается оптимальное соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз в бетонной смеси, обеспечивающее улучшение физико-механических свойств бетона и долговечность бетонных и железобетонных конструкций.

В предложенном способе изготовления изделий послойная укладка бетонной массы в форму осуществляется одним или двумя-тремя составами смесей.

Пример осуществления способа

Бетон из первого состава для нижнего и верхнего слоев является высокопрочным, поэтому в состав бетонной смеси вводят предварительно изготовленные композиционные вяжущие, состоящие из совместно измельченных в помольном агрегате до удельной поверхности не ниже 4500 см²/г портландцемента М500 ДО, кварцевого наполнителя с М_к=1,0, суперпластификатора С-3 и различающиеся по содержанию компонентов в зависимости от заданной прочности и морозостойкости бетона.

Тесто на основе композиционного вяжущего имеет индукционный период, когда скорости процессов гидратации, структурообразования и твердения замедлены по сравнению с вяжущим среднего слоя, у которого реакция гидратации развивается сразу после затворения водой. Продолжительность индукционного периода уменьшается пропорционально увеличению содержания клинкерного компонента в вяжущем и составляет от 3-х до 6-ти часов. По окончании индукционного периода происходит интенсивное структурообразование, при этом промежуток между индукционным периодом и его переходом в кристаллизационную фазу, соответствующий схватыванию вяжущего, значительно меньше, чем для теста на исходном портландцементе, что свидетельствует о высокой интенсивности роста прочности цементного камня и бетонов на основе композиционного вяжущего.

Проектирование состава бетонной массы, содержащей композиционное вяжущее, воду, мелкий заполнитель - кварцевый песок с модулем крупности М _к=2,0-2,5, крупный заполнитель - гранитный щебень фракции 5-10 мм, при необходимости, цветные пигменты, производится по известным методикам при водовяжущем отношении 0,18-0,2.

Приготовление бетонной смеси осуществляется следующим образом: предварительно загруженные в смеситель принудительного действия крупный и мелкий заполнитель перемешивают с частью воды затворения с последующей загрузкой в смеситель вяжущего, пигмента и оставшейся воды. Активное смачивание поверхности зерен заполнителя способствует повышению однородности, улучшению формовочных свойств и снижению водопотребности бетонной массы, обусловливающих значительное увеличение прочности изделий. Для обеспечения высокой морозостойкости в качестве универсальной воздухововлекающей и водоредуцирующей добавки используется часть суперпластификатора, содержащегося в композиционном вяжущем.

Бетон среднего слоя из второго состава изготавливается из цементного материала, отличающегося термохимическими свойствами от вяжущего нижнего и верхнего слоев, характеризуется повышенными прочностью при сжатии и адгезионной прочностью, поскольку совместная работа трех слоев зависит от монолитности их соединения: отсутствия водоотделения и расслоения бетонной смеси. Монолитность адгезионных соединений и структурные когезионные связи определяются комплексом заданных реологических свойств бетонной смеси и характером структурообразований в системе, обусловливающих сплошность структуры бетона. Поэтому для регулирования вязкопластических свойств в состав бетонной смеси основного слоя на основе традиционного портландцемента М 500 ДО введены суперпластификатор и кремнеземистый микронаполнитель для снижения водопотребности, растворо- и водоотделения при водоцементном отношении 0,22-0,26. В качестве мелкого заполнителя рекомендуется строительный песок или минеральные кремнесодержащие отходы производства с модулем крупности М_к=2,0-2,5, а в качестве крупного заполнителя - гранитный щебень фракции 5-20 мм.

По предлагаемому способу изготовления набор прочности бетонных и железобетонных изделий производится в формах в естественных условиях при положительной температуре окружающей среды. Для ускорения структурообразования вяжущего и обеспечения условий полного прохождения реакций гидратации используется термосно-резонансный эффект саморазогрева, образующийся при твердении цементного теста в каждом из слоев. Поскольку температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) цементного камня на основе композиционного вяжущего и обычного портландцемента находятся в одинаковых пределах, то такая термическая совместимость позволяет их совместное использование в бетоне.

После формования вначале выделяется тепло в основном в среднем слое за счет экзотермической реакции гидратации, и в течение 10-12 часов происходит опережающий саморазогрев этого слоя. Поскольку в нижнем и верхнем слоях в этот период из-за иного характера гидратации композиционного вяжущего температура практически не изменяется, то такая слоистая бетонная система в первые несколько часов не находится в термодинамическом равновесии, поэтому между ее слоями, имеющими разную температуру, происходит теплообмен. Отвод выделяющегося тепла из среднего слоя в нижний и верхний слои способствует более полному прохождению процессов гидратации, а следовательно, получению более плотных и прочных бетонов.

В твердеющем бетоне в результате термического взаимодействия слоев после 10-12-го часа гидратации начинает происходить постепенное перераспределение источников тепла: в среднем слое, из-за теплоотдачи соседним слоям температура и тепловыделение начинают замедляться, а в нижнем и верхнем слоях из-за ускорения процесса собственной гидратации температура и тепловыделение повышается, т.е. в течение нескольких часов твердеющий бетон выдерживается в условиях, близких к постоянной температуре. Сравнительная кинетика твердения в ранние сроки различных цементных материалов и бетонов на их основе приведена в таблице.

Благодаря наличию индукционного периода в ранние сроки твердения нижний и верхний слои выполняют функции химически активных стенок условного термоса, которые способствуют выравниванию температуры внутри бетонной слоистой конструкции и поддерживают температуру в заданном диапазоне, т.е. обеспечивают термосное выдерживание твердеющего бетона, которое создает благоприятные условия для протекания процессов гидратации цемента и формирования начальной структуры бетона, способной без разрушения, воспринимать развивающиеся при последующем тепловом воздействии случайные деструктивные процессы.

В более поздние сроки твердения при повышении химической активности вяжущего нижнего и верхнего слоев температурный резонанс между слоями, определяемый количеством выделяющегося при твердении тепла и его теплоотдачей в соседние слои, обеспечивает термодинамическое равновесие системы, когда температура всех слоев практически одинакова продолжительное время, а режим твердения бетона приближается к изотермическому.

Наличие слоистой бетонной конструкции на основе одновременного использования в ней вяжущих с различными термохимическими свойствами дает возможность регулировать саморазогрев бетона за счет резонансного перераспределения источников тепла в твердеющей системе во времени.

При этом величина максимального тепловыделения и скорость гидратации не уменьшаются, но темп тепловыделения снижается, т.е. процесс тепловыделения растягивается во времени, что уменьшает саморазогрев и температуру твердеющего бетона и способствует созданию оптимальных температурных условий прохождения процессов структурообразования в цементном геле, когда образуются длинноволокнистые кристаллы гидросиликата кальция, обуславливающие высокие начальные и проектные прочности, а также повышенную морозостойкость.

Продолжительность гидратации и структурообразования, час	Портландцемент М500 ДО			Композиционное вяжущее: механоактивированная смесь из 90% ПЦ+10% кварц.песка+С-3			Композиционное вяжущее: механоактивированная смесь из 60% ПЦ+40% кварц.песка+С-3
	Температура, °С			Температура, °С			Температура, °С
	При гидратации цементного теста	Обычный бетон	Предел прочности бетона при сжатии, МПа	При гидратации теста из вяжущего	Бетон по предлагаемому способу	Предел прочности бетона при сжатии, МПа	При гидратации теста из вяжущего	Бетон по предлагаемому способу	Предел прочности бетона при сжатии, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	30	25		20	20		20	20
4	40	35		20	25		20	20
8	55	45		25	35		20	25
12	70	65		30	42		25	30
16	65	60		45	47	15,5	30	35
20	60	50	9,5	60	50	26,0	35	40	20
24	50	35	16,0	70	50	35,0	45	40	26,5
28	35	30	18,0	60	50	38,5	55	40	28

При применении данного способа изготовления бетонных и железобетонных изделий для формования слоев в зависимости от заданной прочности можно использовать бетоны различных структур: плотные, поризованные, ячеистые и крупнопористые на основе одновременного использования в изделии двух и более разных цементных материалов со смещенным сроком начала гидратации для нижнего, верхнего и среднего слоев.

Характер структурообразования твердеющего цементного теста в нижнем и верхнем слоях зависит от фазового состава, структуры и особенностей кинетики тепловыделения композиционного вяжущего, когда максимум тепловыделения приходится на 10-18 час гидратации при температуре разогрева внутри слоя 50-80°С. Для традиционного портландцемента среднего слоя максимум тепловыделения смещается на более ранние сроки - 6-12 час, и температура саморазогрева внутри слоя составляет 45-70°С.

Выбранная трехслойная конструкция расположения бетонных масс в изготавливаемых изделиях обеспечивает в 1,5-2 раза ускорение процесса твердения в естественных условиях за счет термосно-резонансного температурного эффекта без дополнительной тепловой обработки и закрепление полученного фазового состава бетона.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании бетонных и железобетонных изделий с повышенными прочностью и морозостойкостью.

Технологическая линия для изготовления бетонных и железобетонных изделий повышенных прочности и долговечности содержит последовательно установленные и технологически связанные помольный агрегат для изготовления композиционных вяжущих с различными термохимическими характеристиками, бетоносмеситель принудительного действия для приготовления бетонной смеси, формовочный пост с вибростолом для укладки бетонной массы в формы, пост выдержки отформованных изделий в формах, где через 12-20 часов производится их распалубка. В составе линии имеется участок для подготовки форм, изготовления и установки в них металлической арматуры. Для изготовления цветных бетонов предусмотрено введение в состав бетонной смеси различных красителей: пигментов, минеральных окрашивающих материалов, отходов промышленного производства.

Пример конкретного выполнения

По предлагаемому способу была изготовлена промышленная партия сборных железобетонных изделий - плит покрытий трамвайных путей, по которым одновременно осуществляется интенсивное движение городского автотранспорта. Конструкция трамвайных плит зарегистрирована и описана в патенте Российской Федерации №2155838 кл. E 01 C 9/06, E 01 В 21/00 от 26.05.1999 г.

Последующие испытания полученных образцов бетонов показали следующее. Прочность при сжатии образцов из бетона в возрасте 1 суток составила 30,0 МПа (распалубочная прочность), в возрасте 7 суток - 60-70 МПа, марочная прочность равнялась 80-90 МПа, морозостойкость F 700 по I базовому методу в воде и F 300 по II базовому методу в солях.

Высокопрочный бетон лицевого и защитного слоев характеризовался повышенным содержанием гелевых пор, размером менее 10000Å, являющихся одним из основных факторов обеспечения высокой морозостойкости, поскольку при обычной температуре замораживания вода в порах указанного размера не замерзает.

Повышению морозостойкости высокопрочных бетонов плит способствовало также формирование в структуре замкнутых воздушных пор за счет воздухововлечения в процессе перемешивания и их распределение под воздействием разночастотной вибрации в процессе уплотнения слоев бетонной массы.

Особенности реологических свойств бетонных смесей на композиционном вяжущем обусловили увеличение количества вовлеченного воздуха на 8%, диспергирование и фиксацию воздушных пузырьков, что при выбранных параметрах вибрирования каждого слоя позволили создать оптимальную фазовую структуру для получения высокопрочного бетона. В этом случае воздушные поры выполняют роль резервных емкостей, в которые при отрицательных температурах и фазовом переходе воды в лед под действием кристаллизационного давления льда вытесняется вода из заполненных пор и капилляров.

В бетоне на основе композиционного вяжущего, отличающемся повышенной прочностью, плотностью и оптимальными характеристиками пористости, внутрипоровое давление способствует уплотнению структуры и увеличению стойкости бетонов.