Синергобетонирование

Эта статья предлагается к удалению. Пояснение причин и соответствующее обсуждение вы можете найти на странице Википедия:К удалению/24 октября 2012. Пока процесс обсуждения не завершён, статью можно попытаться улучшить, однако следует воздерживаться от переименований или удаления содержания, подробнее см. руководство к дальнейшему действию. Не снимайте пометку о выставлении на удаление до окончания обсуждения. Администраторам: ссылки сюда, история (последнее изменение), журналы, удалить.

Синергобетонирование – технология получения бетона максимальной прочности, или – технология повышения прочности бетона при бетонировании монолитных конструкций посредством использования синергетического эффекта на разных технологических этапах.

Терминология

Технология синергобетонирования – одно из направлений синерготехнологии.

Синерготехнология – от синерги́я – греч.συνεργία, (от греч.syn — вместе и ergos —действие) и технология – греч. τεχνολογία, (от греч. techno – искусство, навык, ремесло и logίa – исследование).

Синерготехнология – технология достижения максимального синергетического эффекта, получаемого в результате интенсивного одновременного и согласованного внесения разных видов энергии на разных технологических этапах, и использования ее для создания и сохранения высокой структурированности системы.

Теоретические предпосылки создания технологии синергобетонирования

Повышение прочности бетона возможно различными способами. Одним из них является способ увеличения прочности посредством создания условий для появления синергетического эффекта, который может присутствовать как в отдельно взятом технологическом переделе (этапе), так и в нескольких технологических переделах. Максимальный синергетический эффект может быть получен, если получаемые синергетические эффекты на отдельных этапах не будут взаимно уничтожаться или уменьшать друг друга, а только суммироваться. Поэтому эффективность технологий может быть различной – от полного отсутствия синергетического эффекта до его максимума. В последнем случае должна быть выполнена обработка бетонной смеси энергоносителями с максимальным эффектом в устройствах, позволяющих достичь максимального синергетического эффекта.

Теплоносителем с максимальным тепловым эффектом является пар. Причем коэффициент теплоотдачи пара значительно превосходит аналогичные параметры других теплоносителей. Так, величина коэффициента теплоотдачи газообразного теплоносителя колеблется в пределах примерно от 1,2 до 58, воды – 230 – 11600, а пара 4500 – 17500 Вт/(м²∙ºС) при пленочной его конденсации т.е. при конденсации 1 кг пара в зависимости от давления, при котором происходит конденсация, выделяется 2048 – 2257 кДж (соответственно при давлении 0,8 – 0,1 МПа).

Применяемые в строительстве машины и средства механизации, как правило, узкоспециализированы. В производстве бетонных работ к ним можно отнести: устройства для нагрева заполнителей, дозаторы, смесители, транспортные средства. Однако создаются и используются такие устройства, которые могут совмещать и комбинировать воздействия на бетонную смесь.

Использование пара для разогрева компонентов бетонной смеси в смесительном барабане автобетоносмесителя (АБС) позволяет значительно расширить технологические возможности бетонирования монолитных конструкций. Пароразогрев компонентов бетонной смеси происходит за счет тепла, выделяемого конденсирующимся паром на поверхности частиц смеси при ее смешивании. При этом смесь не только разогревается, но и увлажняется.

Известно применение и других теплоносителей, например, электрического тока. Однако, при этом, как правило, используются не уже существующие машины или агрегаты, а вновь создаваемые специально.

Теоретическое обоснование технологии синергобетонирования

Открытие, сделанное И.Р. Пригожиным в середине прошлого столетия и отмеченное Нобелевской премией, привело к созданию теории поведения диссипативных структур или теории самоорганизации.

Бетонная смесь может относиться к диссипативным структурам и, поэтому, к ней может быть применена теория самоорганизации. Со времен древней Греции (триада Платона) и до наших дней (синергетика И.Р. Пригожина) известно, – чтобы вещество полнее усвоило энергию и упрочилось, надо сначала предельно разъединить его на частицы, молекулы, ионы, а после этого – соединять и упрочнять продукты реакции.

Другими словами, получение максимальной структурированности системы (в данном случае бетона, выражающееся в увеличении его прочности) возможно при осуществлении предварительного разъединения, последующего соединения с максимальным сохранением ранее внесенной энергии, направляемой на упрочнение вновь созданного материала.

Это в полной мере относится и к синтезу бетона. На первом этапе – разъединении, - необходимо добиться максимального увеличения поверхности реагирующих веществ. Сразу после затворения происходит интенсивная диссоциация с диспергацией зерен цемента, и в это время надо обеспечить наиболее полное растворение, не допуская и отдаляя процессы гидратации. Одновременное и согласованное применение разных видов воздействий способствует более полному разъединению, разрушая малопрочные образования.

На второй стадии происходит основная гидратация. Реакции начинаются с поверхности зерен цемента, на них образуются малопроницаемые оболочки. В этот период, внесенная ранее и сохраненная энергия, направляется на углубление и ускорение процесса гидратации вокруг каждого зерна цемента. Поэтому, на данном этапе необходимо оградить бетонную смесь от дополнительных внешних воздействий.

На третьей стадии формируется каркас из кристаллов и происходит его обрастание. В этот период сохраненная ранее энергия, направляется на создание прочной структуры бетона, в том числе и за счет экзотермии. Поэтому энергообмен с окружающей средой должен осуществляться через постепенное остывание бетона в конструкции.

Сущность технологии синергобетонирования, заключается в том, что для получения бетона максимальной прочности в бетонную смесь на разных этапах ее приготовления, транспортирования, подачи и укладки вносится максимальное количество энергии, выступающей в разных видах при одновременном согласовании, и осуществляется последующее использование ее для структурообразования бетона.

Из всех имеющихся видов энергоносителей и средств, в которых они могут быть применены, наиболее полно удовлетворяющими всем приведенным выше положениям на современном этапе являются пар и АБС. Увеличение эффективности создания синергетического эффекта для повышения прочности бетона возможно при применении не одного агрегата – АБС, а комплекса АБС – АБН (автобетононасос), а также специально разработанных химических добавок (наномодификаторов).

В зависимости от регламентирующих критериев, таких как, минимальные затраты энергии, простота, универсальность, минимальное время производства работ, и пр., максимальные результаты при применении технологии достигались при использовании целого ряда законов фундаментальных наук.

Синергобетонирование основывается на законах, открытых Р. Майером,О. Хевисайдом, А. Эйнштейном, Я. Ван-дер-Ваальсом,С. Аррениусом, В. Оствальдом, К. Гульдбергом, П. Вааге, Я. Вант-Гоффом, Д. Гиббсом, Р. Клаузиусом, Ж. Фурье, Л. Онзагером, Г. Галилеем, Г. Гельмгольцем, Р. Гуком, И. Ньютоном, И. Пригожиным и др.

Применительно к пароразогретым смесям многие понятия, формулы, методики и принципы расчетов и пр. не могут быть использованы, так как они не соответствуют законам и реально получаемым результатам. Такие основополагающие понятия, существующие в бетоноведении, как подбор составов бетонов, водоцементное отношение, осадка конуса, вибрирование, измерение прочности по испытаниям кубиков, и другие не могут быть применены в отношении пароразогретых смесей.

Используя АБС в качестве технологического элемента, удается добиться повышения прочности бетона за счет применения механической и термомеханической активации компонентов бетонной смеси путем переменного или постоянного вращения смесительного барабана АБС.

Площадь контактов увеличивается при смешивании вследствие удаления с поверхности компонентов загрязненных частиц, а также при дроблении заполнителей (сухой и мокрый домол). Особенно этот фактор значим при минимальном содержании влаги в компонентах бетонной смеси.

Загрузка компонентов бетонной смеси c ограниченным количеством воды в смесительный барабан АБС, особенно при отрицательной температуре наружного воздуха, последующая доставка их на сколь угодно неограниченное расстояние к пункту разогрева и разогрев бетонной смеси паром, позволяют реализовать в рамках данной технологии, один из основных законов химической кинетики – закон действующих масс К. Гульдберга и П. Вааге.

Внесение энергии происходит до начала схватывания в момент наибольшей концентрации реагирующих веществ. Разогрев компонентов бетонной смеси в утепленном смесительном барабане АБС целесообразно производить влажным насыщенным паром в связи с его низкой вязкостью и высокой проникающей способностью и теплоотдачей.

Известно, что вязкость воды при 80ºС составляет третью часть вязкости воды при 20ºС. Вязкость пара при температурах 100 - 120ºС в 80 раз меньше вязкости воды при 20ºС. Указанные свойства пара характеризуют его как идеального влаго- и теплоносителя, использование которого улучшает гомогенизацию смеси.

Высокая проникающая способность пара способствует также более быстрому, чем при других способах, нагреву компонентов бетонной смеси.

Пар, вступая в контакт с относительно холодными поверхностями компонентов бетонной смеси и внутренней поверхностью смесительного барабана, интенсивно конденсируется, высвобождая теплоту парообразования фазового перехода пара в воду, которая идет на увеличение влагосодержания и теплосодержания бетонной смеси, а также теплосодержания корпуса смесительного барабана АБС. При этом, при конденсации 1 кг пара в зависимости от давления, при котором происходит конденсация, выделяется 2048 - 2257 кДж.

Происходящее в смесительном барабане АБС одновременное смешивание бетонной смеси и поступление пара с высокой скоростью, значительно ускоряют процесс теплообмена. Взаимное трение частиц и кинетическая энергия потока пара уменьшают толщину пленки конденсата и изменяют ее течение, переводя его в состояние волнового и турбулентного, при котором коэффициент теплоотдачи возрастает.

При пароразогреве элементарные объемы бетонной смеси проходят многократно через зону действия струи пара, при этом они разогреваются до температуры, близкой к температуре теплоносителя, выходя из зоны действия струи пара, эти частицы быстро охлаждаются.

Такие температурные перепады в сочетание с пониженной вязкостью воды и повышенной проникаемостью пара приводят к разрушению первично образовавшихся флокул цементных частиц. Эффективный радиус частиц уменьшается с 55 мк (холодных) до 37 мк (пароразогретых). Таким образом, процесс пароразогрева приводит к диспергации. Кроме того, попадая в струю пара, более легкие частицы цемента и мелкого заполнителя торкретируют поверхность более крупного заполнителя и тем самым сдирают пленку конденсата.

Наиболее благоприятные условия теплообмена складываются в начале процесса нагревания, в связи с относительно малой толщиной пленки конденсата. В этот период, когда бетонная смесь еще достаточно суха, происходит упругое столкновение частиц, что уменьшает толщину пленки. По мере увлажнения смеси, действие упругих сил уменьшается, что приводит к увеличению толщины пленки конденсата.

Термохимические воздействия, осуществленные в период наибольшей концентрации реагирующих веществ, максимально интенсифицируют реакции в бетонной смеси. Согласно закону Я. Вант-Гоффа повышение температуры теплоносителя до парообразования способствует максимальной проникающей способности и многократно увеличивает скорость процесса диссоциации.

С учетом комплексного критерия наиболее эффективной температурой разогрева бетонной смеси можно считать 55 - 65 ºС. До этих температур теплопередача от пара к компонентам бетонной смеси идет наиболее интенсивно, подвижность бетонной смеси максимальна и достаточно продолжительна по времени для подачи и укладки ее в опалубку, экзотермия оптимальна, теплоотвод в опалубке осуществляется по наиболее «мягкому» режиму, получаемая прочность бетона максимальна.

Все это благоприятно сказывается как на улучшении технологически свойств бетонной смеси, так и на увеличении физико-механических характеристик бетона.

При более высоких температурах отделяется адсорбционная вода, образуется эттрингит, поглощающий воду, а также повышается испарение, - все это резко замедляет диффузионные процессы.

Таким образом, синергетический эффект, получаемый от разных видов воздействий, в результате интенсивного одновременного и согласованного внесения разных видов энергии приводит к цепным реакциям и к высокой упорядоченности системы. Плотная структура создается с наиболее полным сохранением и усвоением внесенной энергии. Это достигается постепенным остыванием, постоянным теплопотоком и естественным выдерживанием бетона.

Технология синергобетонирования

При выборе синерготехнологии бетонирования монолитных конструкций пароразогретыми в АБС смесями необходимо исходить из возможности приготовления горячих смесей:

- при строительстве объектов, время доставки бетонной смеси к которым не превышает технологически допустимого для данного вида смеси, - на бетонном заводе;

- при строительстве объектов второй и последующих очередей, а также на реконструируемых предприятиях, - с получением пара от существующих стационарной котельной или паропровода;

- при строительстве отдельно расположенных объектов, в том числе удаленных на значительное расстояние, - с применением передвижных парогенераторов;

- двухстадийно, - с пароразогревом компонентов бетонной смеси на бетонном заводе и последующим пароразогревом на строительном объекте.

При этом АБС могут загружаться:

- смесью из предварительно высушенных заполнителей (сухой),

- смесью из заполнителей естественной влажности (увлажненной),

- смесью при повышенной влажности компонентов (влажной),

- смесью с количеством воды затворения до 70% (смоченной).

В зависимости от принятой схемы загрузки она может осуществляться как послойно – при загрузке через люк на боковой стенке смесительного барабана, так и с предварительным смешиванием компонентов смеси – при загрузке через заднее торцовое отверстие. При послойной загрузке компонентов бетонной смеси, в том числе заполнителей естественной влажности, составляющие бетонной смеси не подвергаются особенным изменениям, так как цемент укладывается последним.

Загрузка с предварительным смешиванием компонентов смеси может производиться как последовательно, так и пропорционально. При последовательной загрузке материалы подаются в следующем порядке – песок, крупный заполнитель, цемент, вода. Пропорциональная загрузка производится сразу всеми составляющими смеси при подаче сухих компонентов «слоеным пирогом» на ленте конвейера.

Послойная загрузка через люк в боковой стенке смесительного барабана применяется крайне редко и поэтому в работе не рассматривается.

Смешивание бетонной смеси может происходить при: - загрузке (скорость вращения барабана от 9 до 12 об/мин), - побуждении (2 – 6 об/мин), - перемешивании (6 – 12 об/мин), - периодическом побуждении и перемешивании, - разгрузке (9 – 12 об/мин). Кроме того, бетонная смесь может выдерживаться в смесительном барабане без вращения его.

Пароразогрев бетонной смеси в смесительном барабане АБС возможен путем введения поочередно или одновременно пара и воды в сухую, увлажненную или влажную смесь и пара в смоченную смесь. При этом воду целесообразно вводить с температурой равной или выше температуры приготавливаемой бетонной смеси.

Введение пара может осуществляться по двум вариантам:

- на смесь – с расположением ввода пара в свободном пространстве смесительного барабана, и

- в смесь – с вводом пара внутрь самой смеси.

Учитывая то, что пароразогрев бетонной смеси может осуществляться на стоянке АБС при вращении барабана, скорость его может быть любой – от 2 до 12 об/мин.

В то же время, транспортирование производится в режиме побуждения или без вращения барабана, так как возникающие при вращении барабана с большей скоростью центробежные усилия могут привести к опрокидыванию АБС, особенно на поворотах.

Осуществление пароразогрева бетонной смеси в процессе транспортирования до настоящего времени осуществить не представляется возможным из-за отсутствия выпускаемого промышленностью малогабаритного парогенератора высокой паропроизводительности.

Таким образом, транспортирование в АБС может осуществляться: холодных компонентов бетонной смеси, холодной, подогретой или горячей бетонной смеси.

Введение добавок в бетонную смесь возможно на любом этапе приготовления и транспортирования смеси. Единственным существенным требованием при разгрузке бетонной смеси является выбор такой скорости разгрузки, которая позволяет избежать расслаивания смеси.

Подача бетонной смеси может осуществляться непосредственно в конструкцию по лотку (желобу) или по бетоноводу автобетононасоса, а также краном с перегрузкой в бункера.

Укладку пароразогретой бетонной смеси целесообразно производить в кратчайшие сроки во избежание потери подвижности и тепла. Увеличение подвижности пароразогретой смеси можно добиться применением химических пластифицирующих добавок в бетонную смесь, например, суперпластификатора С-3. Уплотнение ее в конструкциях нецелесообразно, ввиду нарушения структуры новообразований горячей смеси.

Выдерживание бетона из пароразогретой смеси в конструкциях может осуществляться только способом термоса или им в комбинации с другими способами и с утеплением.

Литература

• Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. — М.: ИЛ, 1960. — 150 с.
• Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. — М.: Мир, 1973. — 280 с.
• Пригожин И., Николис Г. Самоорганизация в неравновесных системах: От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. — М.: Мир, 1979. — 512 с.
• Арбеньев, А. С. От электротермоса к синэргобетонированию: монография. Владимир , 1996. - 272 с. : ил. - ISBN 5-89368-001-4
• Арбеньев А.С. Обзор развития электроразогревательных устройств – ЭРУ. Обобщение теории и практики синэргобетонирования: Тез. докл. Междунар. науч.-тех. конф. Под ред. А.С. Арбеньева; Владим. гос. ун-т. Владимир, 2003. С.19-20. ISBN 5-89368-367-6
• Колчеданцев Л.М. Интенсифицированная технология бетонных работ на основе термовиброобработки смесей. СПб., СПбГАСУ - 2001.- 230 с.