Kts23.ru

АЗС оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ГЛАВА 8. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА И ЗАТВЕРДЕВШЕГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Тепловыделение при взаимодействии цемента с водой

Реакции гидратации цементных минералов являются экзотермическими, и взаимодействие цемента с водой сопровождается выделением теплоты.

По данным С. Д. Окорокова и других, клинкерные минералы характеризуются показателями тепловыделения в различные сроки твердения, приведенными в табл. 14.

По данным Д. Вер бека и Ц. Фостера, тепловыделение Сз8 и |3-C2S значительно ниже (через 3 и 7 сут в 1,5—2 раза), а С3А и C4AF — больше значений, представленных в таблице (особенно через 3 и 7 сут).

Тепловыделение различных портландцементов колеблется в больших пределах в зависимости от их минерального состава и тонкости измельчения. Наличие в их составе повышенного количества C3S стекла и особенно С3А предопределяет интенсивное тепловыделение при твердении таких цементов, преимущественно в первые сроки, вследствие быстрого взаимодействия указанных минералов с водой. Цементы, характеризующиеся повышенным содержанием C4AF и больше всего (3-C2S, отличаются пониженным тепловыделением. Уменьшать тепловыделение можно также, вводя в портландцемент активные минеральные добавки, в частности, тоикомолотые доменные гранулированные шлаки.

Тепловыделение при твердении цементов имеет большое практическое значение. В частности, в процессе бетонирования обычных конструкций при пониженных температурах повышенное тепловыделение играет положительную роль. Наоборот, возведение массивных конструкций, например гидротехнических (особенно летом), из бетонов на цементах с повышенным тепловыделением приводит к их нагреванию до 50 °С и более. Последующее охлаждение бетонных массивов у наружных поверхностей вызывает значительные перепады температур в наружных и внутренних зонах, возникновение напряжений растяжения в поверхностных слоях и образование в них трещин. Это уменьшает несущую способность и долговечность сооружений, поэтому при возведении массивных бетонных конструкций применяют низкотермичные цементы, например с тепловыделением через 3 сут не более 168—188 и через 7 сут 210—230 Дж/г.

Опыты многих исследователей показали, что теплота из смеси портландцемента с водой на протяжении первых суток твердения выделяется ступенчато. На 40 представлены экспериментальные данные Ю. С. Малинина и его сотрудников, характеризующие тепловыделение, а также показатели предельного напряжения сдвига и контракции в твердеющем цементном тесте при обычной температуре

На основании их данных, а также данных В. Лерча, Т. Пауэрса и других, по интенсивности тепловыделения время начального твердения цементного теста можно разделить на четыре периода. К первому периоду взаимодействия цемента с водой можно отнести первый промежуток в 30—40 мин, когда наблюдается сильное выделение теплоты в тесте (особенно в течение первых 5— 8 мин) с последующим его уменьшением до малых значений.

Второй период — период малого тепловыделения, называемый иногда индукционным, протекает в течение второго — четвертого часа. Его продолжительность зависит от свойств цемента и содержания гипса.

Третий период, начинающийся через 3—5 ч после момента затворения цемента водой, характеризуется началом схватывания и постепенным увеличением тепловыделения, достигающим максимума через 6—10 ч. В этот момент обычно отмечается конец схватывания теста.

Четвертый период наступает после перехода показателя тепловыделения через максимум и характеризуется снижением к суточному сроку количества теплоты примерно до 4,19 Дж/ч на 1 г цемента. В это время наблюдается интенсивный рост прочности системы, а тепловыделение у обычных цементов через сутки твердения достигает 15—20% общего. Одновременно, по данным Ю. С. Малинина и других, идет ступенчатое изменение концентрации гидроксида кальция и кремнезема в водном растворе цементного теста. Характерна также кривая с резкими перегибами, иллюстрирующая рост предельного напряжения сдвига, измеренного коническим пластометром. Здесь моменты снижения показателей предельного напряжения сдвига совпадают во времени с началом сильных спадов концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе теста. Эти явления не нашли пока надлежащего объяснения.

Читайте так же:
Сертификаты качества топкинский цемент

Наличие индукционного периода с малым тепловыделением объясняется образованием на клинкерных частичках гелевых оболочек из гидратных соединений, которые почти прекращают доступ воды к непрореагировав-шим внутренним зонам зерен вяжущего. Но наличие насыщенного раствора Са(ОН)2 и других соединений в образовавшемся геле и у непрореагировавшей поверхности цементных частичек создает условия для диффузионного притока воды из межзернового пространства с пониженной концентрацией раствора. Вследствие этого в гелевых оболочках постепенно нарастает осмотическое давление, приводящее при определенных значениях к их разрыву. При этом возникает возможность прямого доступа воды к обнажившимся свежим поверхностям и ее реакции с цементом. Этот момент является концом индукционного периода малой активности и началом третьего периода со всевозрастающим тепловыделением.

Данные, полученные М. И. Стрелковым при наблюдениях под микроскопом, подтверждают возможность разрыва гелевых оболочек, возникающих на поверхности цементных зерен. Он полагает также, что явление разрыва оболочек на отдельных частичках способствует их перемещению в межзерновое пространство, которое благодаря этому заполняется цементирующими новообразованиями.

Скорость тепловыделения и образования частичек новой твердой фазы при гидратации вяжущих веществ оказывает большое влияние и на формирование связанной структуры с образованием «затвердевшего камня». Например, образование гидроксида кальция из оксида обычно идет очень быстро с выделением 87§ Дж/г нового вещества. Теоретически они способны увеличить его температуру на 878: 1,17=750 °С (здесь 1,17 Дж/г-°С— теплоемкость гидрата).

Гидратация (5-полуводного гипса идет с выделением 112 Дж/г. В этом случае при стехиометрических соотношениях реагирующих компонентов образующийся дву-гидрат теоретически может нагреться лишь на 112: : 1,09== 103 °С. При этом важно отметить, что гидратация оксида кальция или полуводиого гипса протекает практически в течение 1—2 ч с выделением всей теплоты.

Из клинкерных минералов лишь С3А можно в какой-то мере сравнить с СаО и полуводным гипсом. При его полной гидратации выделяется 1082 Дж/г или в пересчете на С3АН12 600 Дж/г. Если допустить возможность достаточно быстрого взаимодействия этого вещества с водой даже в половинном количестве, то при отсутствии теплопотерь температура продукта реакции может достигнуть ориентировочно 300:1,26 = = 237 °С.

Гидратация полуводного гипса при относительно небольшом тепловыделении проходит спокойно лишь при умеренном увеличении внешнего объема, гидратация же трехкальциевого алюмината, по данным одних исследователей, обусловливает незначительную прочность образующегося камня, а по данным других — нулевую его прочность.

Наконец, для получения известкового камня в условиях гидратационного твердения вследствие высокого тепловыделения приходится прибегать к таким специальным мерам, как введение значительного количества воды и заполнителей, замедлителей реакции, охлаждение системы и т. п. Характерно, что присутствие ЗСаО-А1203 в клинкерах в количестве 5—10 % оказывается полезным, в то время как более высокое его содержание уже приводит к временному снижению прочности цементов. Это явление отчасти можно объяснить своеобразием гидратации СзА.

Из других клинкерных минералов высоким тепловыделением при полной гидратации отличается C3S (500 Дж/г, по В. Лерчу и Р. Боггу). Однако этот процесс .идет относительно медленно и даже в благоприятных условиях при обычной температуре в течение первых 12 ч степень его гидратации едва превышает 15— 20 %. При этом тепловыделение может достигнуть 100— 126 Дж на 1 г исходного вещества, а в расчете на 1 г новообразований — еще меньше. Эти показатели тепловыделения близки к тем, какие характерны для полуводного гипса, взаимодействующего с водой на протяжении 1—2 ч. Таким образом, можно не опасаться значительного нагревания продуктов гидратации C3S и деформаций, присущих С3А.

Читайте так же:
Цементным герметиком glims водоstop

Двухкальциевый силикат C2S, а также четырехкаль-цневый алюмоферрит C4AF по тепловыделению в начальные сроки гидратации не могут оказывать значительного влияния на нагревание системы, при котором могут возникнуть опасные деформации.

Таким образом, оценивать истинные вяжущие свойства тех или иных веществ надо с надлежащим учетом фактора интенсивности тепловыделения, оказывающего с определенного порога резко отрицательное влияние на эффект твердения системы. Следует подчеркнуть, что сказанное относится к стехиометрнческим смесям вяжущих с водой. Твердение бетонных и растворных смесей менее подвержено влиянию фактора интенсивности тепловыделения из-за наличия заполнителей и избыточного количества воды, предотвращающих перегревание системы (при отсутствии искусственного нагревания).

Влияние температурных воздействий на структуру бетона

Тепловая обработка бетона ускоряет реакции гидратации вяжущих веществ, повышает интенсивность нарастания структурной прочности, сокращает технологический цикл изготовления. Для прогрева композиционного материала до 80 – 100˚C и выше используют различные установки тепловой обработки непрерывного и периодического принципа действия (автоклавы, камеры, кассетные формы). В качестве теплоносителя используют паровоздушную смесь, электромагнитное поле, электрический ток. Выбор способа обработки зависит от экономических и технических показателей, установленной технологии изготовления.

На заводах ЖБИ широкое распространение нашёл метод тепловлажностной обработки (теплоноситель – паровоздушная смесь). Процесс разделен на три этапа — подогрев, выдержка, охлаждение. На первых двух этапах в камеру подаётся нагретый пар, на третьем этапе установку охлаждают и вентилируют, удаляя из бетона лишнюю влагу. Сложность физических процессов, несоблюдение технологических норм могут привести к образованию трещин и появлению деформаций.

Причины остаточных деформаций

  1. Сокращение сроков выдерживания смеси в естественных условиях перед загрузкой в установку (оптимальное время выдержки – 2 – 4 часа с момента формирования раствора, требуемая прочность состава – 0,3 – 0,5 МПа).
  2. Резкие температурные перепады в камере, не соответствующие установленным нормам.
  3. Ячеистый бетон в качестве основного состава (содержит большой процент воды).
  4. Большая площадь поперечного сечения изделия.
  5. Тепловыделение при твердении бетонной смеси.

Тепловыделение и калориметрический анализ

Взаимодействие воды с клинкерными минералами сопровождается выделением тепловой энергии. Вследствие этого температура бетона при начальном твердении повышается. Уровень повышения зависит от массивности конструкции и состава бетона. Процессу сопутствует тепловое расширение материала, превышающее усадку.

Неравномерный разогрев бетона, быстрое охлаждение поверхностных слоёв, сохранение высокой температуры внутри изделия приводит к возникновению растягивающих термических напряжений. Если они преодолевают собственную прочность бетона на растяжение, в нём образуются трещины.

Применительно к бетону количественное измерение выделенного тепла (калориметрия) – самый надёжный и точный метод экспериментального анализа. Он позволяет оценить кинетику процесса твердения, влияние на структуру и прочность бетона различных факторов. Исследование проводится в калориметрах трёх типов: изотермическом, термосном и адиабатическом.

  • Изотермический калориметр позволяет поддерживать постоянную температуру образцов бетона. Данные измерений тепловыделения, полученные таким способом, наиболее достоверные.
  • Термосный калориметр не может обеспечить изотермический температурный режим для образцов бетона, они твердеют в случайном режиме. Благодаря простоте устройства, способ используется довольно часто. Полученные данные методом специальных расчётов и вычислений переводят на изотермический режим твердения.
  • Адиабатический калориметр применяется редко и, как правило, для определения тепловыделения крупных массивов бетона.

Разрушение под действием высоких температур

При температуре свыше 200˚C в бетоне запускаются деструктивные процессы. Постепенное снижение прочности обусловлено дегидратацией материала и распадом связующих соединений. Степень разрушения находится в прямой зависимости от роста температурного интервала. Непрерывное нагревание цементного камня до 1200˚C приводит к снижению прочности опытных образцов бетона до 35 – 40 %. Портландцемент разрушается при температуре 800˚C. Повышает устойчивость бетона к температурным воздействиям введение в его состав различных минеральных добавок.

Читайте так же:
Цемент пц 500 д20 расход

Огнестойкость бетона

Цементный камень и связующие материалы имеют различные показатели температурного коэффициента линейного расширения. Такое несоответствие в условиях пожара может привести к снижению несущей способности бетонных сооружений, появлению сквозных трещин, полному разрушению. Поэтому, предел огнестойкости – один из важных критериев бетонных конструкций.

Показатель измеряется временным промежутком, в течение которого сохраняются несущие и ограждающие функции сооружения. Определяется опытным путём, во время которого образцы бетона подвергаются температурному воздействию в специальной установке. Соответствует двум – пяти часам.

Термостойкость бетона

Термостойкость — устойчивость бетонных конструкций к сочетанному действию механических и термических (охлаждение, нагрев) напряжений. У конструкций различного назначения этот показатель отличается. Самые жёсткие требования предъявляются к термостойким сооружениям, эксплуатирующимся в условиях максимальных нагрузок.

Тепловыделение при твердении цемента

Тепловыделение в процессе схватывания и твердения цементного теста связано с тем, что все реакции гидратации клинкерных минералов экзотермичны. Количество выделяющегося тепла при этом определяется полностью минералогическим составом клинкера. Тепловыделение основных минералов клинкера в условиях полной гидратации оценивается следующими примерными данными (кДж/кг):

Таким образом, чем выше содержание в цементе С3А и С3S, тем больше его тепловыделение.

Тепловыделение цемента существенно повышается с увеличением его тонкости помола, а также при ведении в его состав химических добавок, ускоряющих процесс гидратации.

Равномерность изменения объема при твердении

Это одно из главных свойств цемента. В основном все цементы при твердении незначительно изменяют свой объем. При значительном и неравномерном изменении объема затвердевшего камня цемент считают непригодным для строительных целей, особенно при изготовлении бетонных и железобетонных изделий.

Основной причиной изменения объема является содержание свободных оксидов кальция (СаО) и магния (MgO), гидратация которых после конца схватывания цементного теста сопровождается возникновением в затвердевшем цементном камне больших внутренних напряжений, что и приводит к его короблению и растрескиванию.

Испытание на равномерность изменения объема при твердении производится на образцах-лепешках при их кипячении в воде. Цементы, не выдержавшие испытание, признаются некачественными и не должны применяться в строительстве.

Прочность цементного камня

Это свойство портландцемента условно определяют по показателю предела прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 40×40×160 мм, приготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (цемент : песок) стандартной консистенции при водоцементном отношении В/Ц = 0,4. Образцы вначале выдерживают на воздухе (1 сутки), а затем в воде – 27 суток. Через 28 суток балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся при этом половинки балочек – на сжатие. Схема испытаний на изгиб показана на рис. 4.17.

Разрушающее напряжение или предел прочности при изгибе Rизг при действии сосредоточенной силы в середине пролета вычисляют по формуле (МПа):

где Р – разрушающая (максимальная) нагрузка (Н);

– расстояние между центрами опор, см;

b и h – ширина и высота сечения образца, см.

Разрушающее напряжение или предел прочности при осевом сжатии Rсж вычисляют по формуле (МПа):

Среднее арифметическое – величина предела прочности при сжатии, определенное по четырем наибольшим значениям, называется активностью цемента.

Марку цемента устанавливают по значениям предела прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 4×4×16 см в соответствии с табл. 4.1. Если один из них (Rсж или Rизг ) меньше указанного в табл. 4.1, то цемент относят к меньшей марке. Например, при испытании получили значение Rсж = 38 МПа, и Rизг = 5,9 МПа. Следовательно, цемент относят к марке 400 (а не 500).

Обозначение цементаГарантированная маркаПредел прочности, МПа (кгс/см 2 )
при изгибе в возрастепри сжатии в возрасте
3 сут28 сут3 сут28 сут
ПЦ-ДО5,4 (55)39,2 (400)
5,9 (60)49,0 (500)
6,1 (62)53,9 (550)
6,4 (65)58,8 (600)
ПЦ-Д5 ПЦ-Д204,4 (45)29,4 (300)
5,4 (55)39,2 (400)
5,9 (60)49,0 (500)
6,1 (62)53,9 (550)
6,4 (65)58,8 (600)
ПЦ-Д20-Б5,9 (40)5,4 (55)24,5 (250)39,2 (400)
4,4 (45)5,9 (60)27,5 (280)49,0 (500)
ССПЦ-ДО5,4 (55)39,2 (400)
ССПЦ-Д205,4 (55)39,2 (400)
5,9 (60)49,0 (500)
ШПЦ4,4 (45)29,4 (300)
5,4 (55)39,2 (400)
5,9 (60)49,0 (500)
ШПЦ-Б5,4 (55)5,4 (55)21,5 (220)39,2 (400)
ССШПЦ4,4 (45)29,4 (300)
5,4 (55)39,2 (400)
ППЦ4,4 (45)29,4 (300)
5,4 (55)39,2 (400)
Читайте так же:
Работа с цементным молочком

Условное обозначение цемента должно состоять из:

· наименование вида цемента – портландцемент (ПЦ), шлакопортландцемент (ШПЦ), стульфатостойкий портландцемент (ССПЦ), пуццолановый портландцемент (ППЦ);

· марки цемента – 300, 400, 550, 600. Разработаны цементы марок 700. 1000;

· обозначения максимального содержания добавок в портландцементе – ДО, Д5, Д20 (соответственно 0; 5; 20 %);

· обозначения быстротвердеющего цемента – Б;

· обозначения пластификации или гидрофобизации цемента – соответственно ПЛ, ГФ;

· обозначения цемента, полученного на основе клинкера нормированного состава, – Н.

Например, портландцемент марки 400 с добавками до 20 %, быстротвердеющий, пластифицированный обозначается следующим образом: 400-Д20-Б-ПЛ.

В соответствии с ГОСТ 30515-97 предусматривается введение классов цементов (МПа) 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Обычный портландцемент выпускается двух видов:

— портландцемент без минеральных добавок;

— портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %).

В качестве добавок используются доменные гранулированные и электротермофосфорные шлаки, горные породы осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки) глиежи (естественно обожженные глины) и др. Добавки вводятся для повышения водостойкости цемента (для связывания выделяющегося гидроксида в малорастворимые гидросиликаты кальция); их применение приводит к экономии дорогостоящего клинкера. Применяя минеральные добавки, можно регулировать ряд других свойств портландцемента: выделение тепла при твердении, плотность цементного камня и др. Виды и содержание добавок в портландцементах представлены в табл. 4.2.

Обозначение цементаАктивные минеральные добавки, % по массе
ВсегоВ том числе
доменные гранулированные шлакиосадочного происхождения кроме глиежапрочие активные, включая глиеж
ПЦ-ДОНе допускаются
ПЦ-Д5До 5До 5До 5До 5
ПЦ-Д20, ПЦ-Д20-Б>5 до 20До 20До 10До 20
ШПЦ, ШПЦ-Б>20 до 80>20 до 80До 10До 10
ССПЦ-ДОНе допускаются
ССПЦ-Д20>10 до 20>10 до 20>5 до 10
ССШПЦ>20 до 80>20 до 80
ППЦ>20 до 40>20 до 30>25 до 40

Активность минеральных добавок определяется по количеству поглощенной извести из известкового раствора (мг СаО на 1 г добавки) и составляет:

· у диамитов, трепелов и опок – 150…400,

· у вулканических пеплов, пемзы и туфа – 50…150,

· обожженных глин, топливных шлаков и зол – 50…100.

Добавки с меньшей активностью относятся к инертным.

Марка цемента, определяемая прочностью цементного камня, тем выше, чем больше степень гидратации цемента и меньше значение величины В/Ц.

За марочную принимается прочность на 28-е сутки, однако ее можно определить экстраполяцией на 7-е и 14-е сутки. На 7-е сутки прочность цементного камня составляет 50 % от марочной.

Читайте так же:
Цемент м 400 для раствора м 100

Транспортирование и хранение портландцемента могут осуществляться в какой-либо таре (в мешках по 50 кг; банках) или навалом, но в любом случае цемент должен быть защищен от влаги воздуха.

Завод-изготовитель гарантирует соответствие цемента всем требованиям стандарта при соблюдении правил его транспортирования и хранения в течение 45 сут после отгрузки для быстротвердеющих и 60 сут для остальных цементов. При длительном хранении цемента он снижает свою активность: так, прочность портландцемента после трех месяцев хранения понижается на 10…20 %, а через год – на 25…40 %.

Тепловыделение при твердении бетона

Набор прочности в результате протекания процесса гидратации неизбежно связан с выделением в окружающую среду тепла. В различных составах этот процесс протекает по-разному. Меньше всего влияния на бетон производит медленное затворение смеси, при котором тепловая энергия выделяется незначительно в течении продолжительного периода времени. Гораздо сложнее ситуация обстоит с быстротвердеющими составами, выделяющими большое количество тепла за короткий промежуток времени.

На протекание процесса в целом влияет скорость гидратации цементного вяжущего. Чем быстрее происходит связывание цемента с водой, тем большее количество тепловой энергии отводится в окружающую среду. Вяжущие, содержащие в своем составе трехкальциевые силикаты, имеют большее тепловыделение, чем двухкальциевые. Но во втором случае прочностные характеристики значительно ниже. Именно поэтому данная проблема актуальна для всех конструкций из высокопрочных бетонов.

Выделяют следующие факторы способные повлиять на количество выделяемого бетоном тепла:

  • Степень обжига и тонкость помола цемента.
  • Количество воды затворения.
  • Присутствие в составе химических добавок.
  • Условия окружающей среды.
  • Количество цемента и его теплоемкость.

Следует отметить, что любые способы ускорить процесс твердения увеличивают тепловыделение. Снижение скорости схватывания напротив приводит к уменьшению количества выделенного тепла.

Устройство массивных конструкций

Тонкостенные бетонные конструкции имеют достаточно большую поверхность испарения, поэтому выделяемая энергия не ощутима. Она рассеивается в теле бетона и отводится с поверхности. Совсем иначе ситуация обстоит в массивных бетонных элементах. Наружная часть прекрасно отдает тепло и охлаждается, при этом внутренний массив не имеет возможности должным образом взаимодействовать с атмосферой и сильно перегревается.

Температура внутренней части значительно превосходит температуру на поверхности. Это служит причиной возникновения напряжений в цементном камне. Если не принять мер, это неизбежно приведет к образованию трещин. Контраст еще больше увеличивается при попытках охлаждения бетона снаружи. Разность температур возрастает, что приводит к большим деформациям.

Методы противодействия тепловыделению

Основной задачей в борьбе с излишком тепловой энергии в толще бетона является выравнивание поверхностных и внутренних температур. Нужно убрать охлаждение с поверхности бетона. Это актуально для возведения гидротехнических сооружений, в которых даже на этапе заливки опалубка может омываться жидкостью. Из бетонного массива напротив, обеспечивается дополнительный теплоотвод. Это осуществляется прокладкой в сердечнике труб по которым постоянно циркулирует охлажденная вода.

Для получения одной и той же марки бетонной смеси может потребоваться разное количество цемента. Высокомарочное вяжущее позволяет снизить расход, в то время как пуццолановые и шлакопортландцементы нужно применять в большем объеме. Учитывая то, что увеличение количества цемента приводит к линейному повышению тепловыделения, для массивных конструкций следует применять только вяжущие высокой марки.

Уменьшение количества воды и соответственно водоцементного отношения также положительно сказывается на равномерном твердении бетонной конструкции. Это приводит к использованию жестких смесей для бетонирования. При необходимости использования подвижного состава применяют белитовое вяжущее. Оно в меньшей степени подвержено влиянию количества жидкости на отдачу тепла.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector