Работаем по СПб и Ленинградской Области!

Воздействии тока на твердение бетона

Воздействии тока на твердение бетона

В процессе осуществлении бетонных работ при отрицательных температурах воздуха одной из основных проблем является кристаллизация воды и, соответственно, нарушение процесса образования монолитного блока. Одним из основных методов борьбы с такими явлениями считается электропрогрев. Он позволяет интенсифицировать процесс твердения бетона, обеспечив необходимые температурные условия непосредственно на строительной площадке или производственном предприятии.

При этом в литературе встречаются рекомендации по предпочтительному использованию для этих целей постоянного тока, что противоречит общераспространенной практике бетонирования, в которой преимущественно используется переменный ток. В этой статье мы рассмотрим преимущества и недостатки каждого из методов на основании данных опытно-промышленных исследований.

Особенности использования электроподогрева в зимний период

Технология электропрогрева заключается во включении свежеуложенной бетонной смеси в электрическую цепь в качестве активного сопротивления. При этом обеспечивается заданная температура смеси, а гидратация и структурообразование бетона протекает в условиях воздействия ряда физико-химических процессов, включая электрическое и электромагнитное воздействие.

Схемы подключения прогрева бетона электродами
Рисунок 1. Схемы электропрогрева бетонной конструкции электродами

К основным явлениям, которые рассматриваются в качестве факторов ускоренного твердения бетона, относят:

  • температура — является основным моментом, который напрямую влияет на процесс. Гидратация цемента происходит с выделением тепла экзотермических реакций (в начале процесса схватывания тепловыделение минимально, а в конце — достигает максимума). Условия окружающей среды являются определяющим фактором: сокращение времени схватывания наблюдается при росте температуры до 30°С, а затем наблюдается обратный эффект;
  • электрофорез — электрокинетическое явление, сопровождающееся перемещением дисперсных частиц в жидкой среде при пропускании через нее постоянного электротока;
  • электроосмос — перемещение жидкости между электродами при пропускании постоянного электротока через бетонную смесь;
  • электролиз — выделение на электроде контактной фазы из кислорода и водорода, происходящее вследствие разложения воды под действием постоянного тока.
Электропрогрев бетона
Рисунок 2. Электропрогревание бетонной смеси

Три последних фактора в производственных условиях оказывают незначительный эффект, однако в ряде источников им уделяется повышенное внимание. В частности, в Московской ветеринарной академии предложен метод обработки бетона, арболита и аналогичных смесей на цементной основе за счет воздействия постоянного электрического тока знакопеременных импульсов. Указывается, что явления электроосмоса, электролиза и электрофореза при таком варианте технологии происходят более интенсивно, нежели при воздействии переменного тока промышленной частоты.

Это, в свою очередь, вызывает ускоренное диспергирование цементных частиц, способствует повышению реакционной способности компонентов бетона, определяет более полную гидратацию цемента и повышает равномерность распределения цементного клея между частицами заполнителя и непрогидратированными зернами цемента. Авторы этой работы утверждают, что распалубочная прочность бетона при такой обработке достигается уже спустя 1–3 часа после укладки.

Структура цементного камня при схватывании бетона
Рисунок 3. Структура цементного камня при схватывании бетона при разном водоцементном соотношении и степени гидратации

За счет электроподогрева при отрицательных температурах бетон в проектные сроки набирает марочную прочность без ухудшения прочих эксплуатационных и физико-механических свойств, что позволяет сократить сроки сдачи конструкции под нагрузку. Основным фактором, определяющим эффективность этого процесса, считается температура. В некоторых исследованиях ошибочно связывают ускорение процесса твердения с явлениями электроосмоса, электролиза и электрофореза.

Сравнение обработки бетона постоянным и переменным током

В ряде исследований обоснована несостоятельность гипотезы об ускорении структурообразования в бетоне при пропускании постоянного тока за счет интенсификации явлений электроосмоса, электролиза и электрофореза. В частности, НИИЖБ совместно с представителями Московского лесотехнического института и Московской ветеринарной академии провели производственный эксперимент по трамбованию арболитовых стеновых панелей 1,8х0,9х0,2 м в вертикальных формах с применением в электроподогрева.

3D-модель стеновых панелей
Рисунок 4. Трехмерная модель стеновых панелей

Для получения сравнительной базы были исследованы два следующих варианта технологии: 

  1. Панель №1 твердела под воздействием постоянного тока знакопеременных импульсов (питание от генератора П—91 50 кВА). Время изменения направления токовых импульсов составляло 5 мин с интервалом 1 мин. Рабочее напряжение выбирали таким образом, чтобы обеспечить плотность тока на электродах 40 А/м2.
  2. Панель №2 твердела под воздействием переменного тока промышленной частоты (питание от сварочного трансформатора ТД—500 У2). Напряжение регулировалось таким образом, чтобы температурный режим прогрева совпадал с условиями твердения панели №1.

Продолжительность электрообработки панелей составляла 70 мин. На протяжении этого времени зафиксирован рост температуры в центре изделий с 30°С до 45°С. По достижении этого значения электрическое воздействие было прекращено и оба ЖБИ после часового выдерживания распалубливания.

В ходе эксперимента выяснилось, что панели №1 и №2 сохраняют форму после снятия опалубки, однако визуальный осмотр выявил практически нулевую прочность арболита, поэтому снять изделия с поддона не представлялось возможным. Через сутки с большой осторожностью панели распилили на кубы 200х200 мм для проведения испытаний на сжатие.

Результаты испытаний

Испытания бетонных образцов, проведенные на 3, 7, 14, 28 и 90 сутки, показали, что в первые 7 суток при обработке постоянным током прочность арболита несколько выше, чем в случае обработки переменным током. Вероятно, этот эффект связан с удалением большего объема механически связанной влаги вследствие явления электроосмоса и процесса интенсификации кристаллизационного твердения цемента. Так как разница в показателях прочности составляет 4–5%, то обнаруженный эффект не имеет практического значения.

Таблица 1: "Прочность обработанного арболита, МПа"

Прочность обработанного арболита

При сроке от 14 до 28 суток прочность обработанного постоянным током арболита намного ниже в сравнении с материалом, подвергшимся воздействию переменным током. Для образцов из панели №1 к 1 месяцу (к проектному возрасту) из-за избыточной влагопотери на начальном этапе твердения наблюдается недобор прочности на 25%, то прочность образцов из панели №2 практически достигла марочной.

Аналогичные результаты получены в ходе исследований, проведенных НИИЖБ и трестом Оргтехлесстрой В/О Союзлесстрой, а также экспериментов на Заводе «Стройдеталь» в Мытищах при изготовлении панелей ОС-5 из бетона класса В12,5. В ходе всех трех испытаний установлено, что после распалубки изделия сохраняют форму в обоих вариантах обработки, однако прочность бетона при этом незначительна.

Таблица 2: "Способы обработки бетона током"

Способы обработки бетона током

Данные исследований свидетельствуют о том, что даже через 1 сутки прочность материала не превышала 50%. В интервале от 3 до 28 суток прочность бетона по обоим вариантам обработки практически одинакова, что свидетельствует о воздействии на этот процесс только температурного фактора.

Выводы

Проведенные производственные испытания подтвердили, что удельные расходы электрической энергии зависят от длительности нагрева бетона и температуры. При обработке постоянным током затраты электроэнергии на 20–25% выше. Это объясняется дополнительными потерями на преобразование переменного тока в постоянный, а также затратами электроэнергии на электролиз воды.

При обработке постоянным током из-за выделения кислорода в процессе электролиза воды наблюдается интенсивная коррозия стальной арматуры и стальных форм, в которых изготавливают сборные изделия.

В случае обработки бетона постоянным током знакопеременных импульсов электроосмос, электролиз и электрофорез почти не влияют на динамику твердения бетона, а интенсификация этого процесса обусловлена только температурным фактором. Вследствие этого при прогреве изделий и конструкций из бетона и железобетона следует проводить обработку переменным током промышленной частоты. При этом обеспечивается аналогичный эффект, но не требуется использовать специальные генераторы для преобразования переменного тока в постоянный.

Наши возможности — география работы