Электростатический армированный бетон

Кокоев М. Федоров В. Электростатический армированный бетон // Строительные материалы. 2004 . №6. C. 29-31

Армированный бетон продолжает занимать прочные позиции в ряду важнейших строительных материалов. Этому способствует постоянная работа, направленная на улучшение служебных и технологических свойств, а также технико-экономических показателей этого материала.

В специальной литературе, посвященной промышленным электрофильтрам, можно найти замечания о нарушениях нормального режима работы этих устройств [1]. Так, в электрофильтрах цементных заводов на проволочных электродах иногда образуется не рыхлый осадок из цементной пыли, а прочные цилиндрические бетонные стержни с сердечником в виде проволочного электрода. Такое явление наблюдается в том случае, когда влажность проходящих через электрофильтр газов, содержащих цементную пыль, превышает определенную величину. Такой же эффект имеет место в электрофильтрах электростанций, сжигающих уголь. Здесь плотные стержни образуются из золы-уноса при повышенной влажности отходящих газов. Эти отклонения от нормы в работе электрофильтров стали физико-технической основой для разработки нового перспективного способа формования изделий из бетона [2, 3|.

С целью экономии цемента содержание воды в бетонной смеси стремятся уменьшить до минимума. Обычно для достижения максимальной прочности бетона количество воды в смеси должно быть от 12 до 20% от массы вяжущего. Однако это требование на практике не достигается, так как бетонная смесь с малым содержанием воды очень жесткая. Поэтому для удобства укладки бетона водоцементное отношение (В/Ц) увеличивают до 0,45?0,6. Это снижает прочность бетона. Отрицательное влияние избыточного количества воды на прочность бетона общеизвестно. Для сохранения прочности бетона при большом В/Ц увеличивают удельный расход цемента.

Если все же применяют малое В/Ц, то жесткость бетонной смеси уменьшают с помощью различных пластификаторов. Укладку жестких бетонных смесей в форму проводят с использованием интенсивного вибрирования и других методов. Таким образом, широко применяемые бетонные смеси на основе обычных портландцементов редко имеют В/Ц меньше 0,35?0,4.

Принцип уменьшения массы изделий из железобетона за счет применения ребер жесткости и оптимальной формы поперечного сечения детали ограничивается технологическими трудностями. Для изготовления таких деталей необходимо применение форм сложной геометрии. Такие формы, да еще с арматурой, трудно заполнять жесткой бетонной смесью.

Новый метод формования тонкостенных изделий из армированного бетона с величиной В/Ц, близкой к теоретической, основан на использовании электростатических эффектов и капиллярных явлений. В новой технологии для изготовления тонкостенных изделий и оболочек используют электростатическое нанесение сухих компонентов бетонной смеси на арматурно-сеточный каркас изделия.

В перечень оборудования для электростатического нанесения компонентов бетона на сеточный каркас входят: источник высокого напряжения на 50?100 кВ, пистолет-распылитель или рампа с несколькими большими распылителями, высоковольтный кабель, подключенный к распылителю, шланги, воздушный насос для пневматической подачи к пистолету сухих компонентов бетонной смеси, емкости для цемента, песка и упрочняющих волокон, а также насосы и форсунки для тонкого распылении воды.

Сеточный каркас изделии и один из полюсов источника тока заземляют. Второй полюс источника подключают к центральному электроду пистолета-распылителя. Таким образом, между каркасом и распылителем создают электростатическое поле. Частицы сухого цемента, тонкого песка и волокон подаются на сеточный каркас изделия по шлангу воздушным потоком. При этом порошки и волокна проходят через канал электростатического пистолета. Здесь частицы получают электрический заряд. Под действием электрического поля и воздушного потока заряженные частицы цемента и песка летят к заземленному сеточному каркасу и оседают на нем, образуя слой сухой бетонной смеси. Известная особенность электростатического осаждения заключается в том, что порошок покрывает и тыльную сторону металлической сетки. С тыльной стороны сетки слой порошка имеет меньшую толщину.

Электрическое сопротивление частиц цемента и кварцевого песка хорошо соответствует электростатической технологии. Это подтверждается тем, что частицы цемента эффективно задерживаются в электрофильтрах цементного завода, оседая на проволочных электродах фильтра. Осаждение сухой бетонной смеси происходит до тех пор, пока проводимость слоя еще достаточна для стекания заряда на заземленный каркас. Смачивание нанесенного слоя распыленной водой восстанавливает электропроводность системы и позволяет многократно повторять процесс с целью наращивания слоя бетона на каркасе до необходимой толщины.

В одном цикле осаждения толщина слоя смеси может быть равна нескольким миллиметрам. Нанесенные слои сухой смеси увлажняют тонкораспыленной водой. Дозированное увлажнение бетонной смеси делают периодически или непрерывно. Однако в любом случае увлажнение проводят с задержкой в несколько секунд после прохождения распылителя с сухими компонентами. Процесс многократно повторяют.

При увлажнении сухого цемента происходит уменьшение его объема. Это известное явление контрактации. В результате уменьшения объема во влажном слое могут появиться трещины. Поэтому толщину каждого слоя регулируют так, чтобы исключить образование трещин. При больших перерывах между циклами нанесения бетонной смеси необходимо увлажнить старый слой бетона водой. Влажный бетон имеет хорошую ионную электропроводимость, что благоприятно для ведения электростатического процесса.

Новая технология состоит из следующих процессов:

- изготовление формообразующего арматурно-сеточного каркаса изделия или сооружения из электропроводящего материала; при этом арматурно-сеточный каркас может быть предварительно напряжен;

? электростатическое нанесение на сеточный каркас нескольких слоев из смеси сухого цемента, песка, упрочняющих волокон и других материалов; состав и свойства каждого слоя бетона можно изменять в соответствии с назначением изделия;

- периодическое или непрерывное дозированное увлажнение компонентов бетона, наносимых на каркас изделия, тонкораспыленной водой или влажным паром; вода может содержать специальные добавки;

? циклы нанесения на сеточный каркас сухой бетонной смеси и воды повторяют с целью достижения необходимой толщины слоя бетона на каркасе.

Вода смачивает частицы цемента и заполняет пространство между ними. При появлении тонких пленок воды между частицами образуются искривленные поверхности жидкости ? мениски. На мениски действуют капиллярные силы, стремящиеся сблизить частицы. В результате частицы бетонной смеси находятся под равномерным сжимающим давлением капиллярных сил. В капиллярах диаметром несколько микрометров давление, сближающее частицы, может достигать 0,5?1 МПа. В результате происходит уплотнение частиц бетонной смеси. При стекании электрического заряда и частичном испарении воды уплотнение консолидированных минеральных частиц не нарушается, так как этому препятствуют силы адгезии и процесс образования цементного камня.

Основное преимущество нового метода формования изделий из бетона ? относительное количество воды в бетоне можно точно регулировать в соответствии с маркой цемента и назначением сооружения. Второе преимущество ? даже для изделий сложной геометрии процесс ведут без применения опалубки или формы. При этом процесс осаждения происходит спокойно, без ударов и динамических нагрузок на сеточный каркас, как это бывает при торкретировании. Третье существенное отличие ? можно получать бетон, состоящий из нескольких слоев различного состава. При этом каждый слой может иметь заданные свойства. Например, слой, близкий к арматуре, делают такого состава, чтобы обеспечить максимальную величину рН. Это необходимо для хорошей защиты стальной сетки от коррозии.

Специальный слой бетона может содержать углеродные волокна. Такой слой способен выделять тепло при пропускании через него электрического тока низкого напряжения и, например, нагревать пол и стены помещения. Внешний слой бетона делают высокой плотности для снижения его водопроницаемости. Для получения водонепроницаемого слоя бетона можно также добавлять в распыляемую воду растворимые полимерные добавки. При необходимости тонкий внешний слой может быть сделан из бетона белого или иного цвета.

Таким образом, в технологии бетона появилась возможность заменить трудность работы с жесткой бетонной смесью на более простую задачу. Она заключается в точном дозировании оптимального количества воды для выбранной марки цемента. Далее нужно ввести это количество воды в распыленном виде в сухую бетонную смесь при электростатическом формовании изделия. При этом делают поправку на то количество воды, которое будет потеряно при распылении и испарении.

Вышеописанные изделия из бетона для простоты условно будем называть электростатическим бетоном.

В качестве формообразующей основы для изготовления изделия или сооружения используют металлический сеточный каркас заданной конфигурации. Основой сеточного каркаса является стальная арматура. Для изготовления сетки могут быть использованы различные материалы: стальная проволока, металлизированные базальтовые волокна, волокна из щелочестойкого стекла с электропроводящим покрытием, углеродные волокна и др.

При серийном изготовлении из бетона тонкостенных деталей сложной формы в качестве каркаса может быть использована стальная сетка или перфорированная тонколистовая сталь. Такие каркасы для серийного производства рационально делать штамповкой.

Технология электростатического бетона может быть весьма производительной. Для этого используют источники тока высокого напряжения соответствующей мощности и пневматические устройства для подачи большого количества сухой бетонной смеси к сооружению. При строительстве больших оболочек из армированного бетона используют рампу с несколькими электростатическими распылителями большой производительности. Рампу перемещает телескопическая рука, устанавливаемая на автомобильное шасси.

Применение нового способа особенно выгодно при изготовлении больших тонкостенных конструкций сложной формы из армированного бетона. Это могут быть оболочки и перекрытия различной формы, тонкостенные резервуары, опоры линий электропередачи, водоводные трубы большого диаметра, перфорированные многослойные звукопоглощающие панели для ограждения автомобильных дорог, а также различные объекты малой архитектуры ? остановки городского транспорта, крытые автостоянки, торговые павильоны и т. д.

Возможная область применения технологии электростатического бетона ? это изготовление бетонных мембран двойной кривизны с предварительно напряженным арматурно-сеточным каркасом. Площадь таких мембран может превышать 100 м2. Способы натяжения мембран двойной кривизны проверены практикой при строительстве архитектурных объектов различного назначения с использованием современных технических тканей и конструкционных полимерных пленок в Германии, Англии, США, странах Ближнего Востока |4].

С целью изготовления мембран из электростатического бетона используют натянутую металлическую сетку. С помощью системы мачт и канатов сетку нагружают так, чтобы получить мембрану нужной геометрической формы. На натянутую сетку наносят электростатический бетон необходимой толщины. После набора бетоном заданной прочности мембрану разгружают. Один комплект стоек, блоков и натяжных систем используют для изготовления большого числа однотипных мембран из армобетона.

Из таких мембран можно сооружать перекрытия большой площади. Сочетание мембран из электростатического бетона и прозрачных или полупрозрачных современных технических тканей и полимерных пленок открывает новые возможности для современной архитектуры. Указанные материалы обладают хорошей светостойкостью, прочностью и пожарной безопасностью. Срок их службы достигает 25?30 лет [5].

Изготовление большого количества однотипных изделий из электростатического армированного бетона может производиться на заводской линии, состоящей из ряда однотипных технологических камер. В камерах проводят последовательно электростатическое нанесение сухой бетонной смеси на каркас, увлажнение смеси распыленной водой или паром. Дал