Лекция № 10. Твердение высококачественного бетона

План лекции:

1. Твердение бетона при нормальной температуре.

2. Твердение бетона при повышенных температурах.

1.Твердение бетона при нормальной температуре.

Нормальными для твердения бетона условно приняты температура порядка 20° и относительная влажность воздуха, приближаьо-щаяся к 100% Объясняется это тем, что основы современнс технологии бетона были заложены в конце прошлого столетия учеными, которые проводили исследования в условиях умеренного климата. В то время строительство было исключительно cesot и велось только в теплый период года. Поэтому основные закон мерности схватывания и твердения цемента и бетона были установлены применительно к летним условиям умеренного климата.

С ростом температуры гидратация ускоряется, а с понижением замедляется. Однако с изменением температуры меняется растворимость исходных фаз портландцементного клинкера, что приводит к появлению несколько иных новообразований. Если температура меняется не столь значительно, чтобы отразиться на составе гидратов она может сказаться на величине кристаллов. Так, при повышении температуры продукты реакции будут состоять из большого числа" относительно мелких кристаллов.

Твердение бетона на портландцементе при положительных температурах наружного воздуха. Бетон твердеет при нормальной температуре и влажности иногда очень долго: годами, даже десятилетиями, хотя наибольший прирост прочности происходит в течение первых семи суток. После 28 суток прочность нарастает сравнительно медленно.

В связи с этим в нормах проектирования бетонных и железобетонных конструкций (СНиП И-В.1-62) проектная марка бетона по прочности при сжатии, под которой понимается средняя величина кубиковой прочности бетона, контролируется, как правило, п достижении бетоном возраста 28 суток.

Рост прочности бетона, как показали многочисленные наблюдения, прямо пропорционален логарифму времени. Поэтому прочность бетона Rt в возрасте t суток можно определить по формуле Б. Г. Скрамтаева

где 28 — прочность бетона в 28-дневном возрасте.

Однако эта формула применима только для бетона на обычном портландцементе средних марок и обеспечивает удовлетворительную точность при > 3.

Более точной является формула И. А. Лукьянова и В. М. Москвина, в основу которой положены две известные величины — прочности бетона в возрасте t\ и tz суток, где R ti, Rt — искомая прочность бетона в возрасте t суток; iz~- известные прочности бетона в возрасте ti и tz суток; при этом предполагается, что 2 больше, чем t т — коэффициент, вычисляемый по формуле Интенсивность роста прочности бетона зависит от вида и активности использованного цемента и температуры твердения бетона. Понижение или повышение температуры твердения бетона снижает или повышает рост прочности бетона. При этом под температурой твердения бетона в относительно тонкостенных конструкциях следует понимать температуру окружающей среды, а для массивных конструкций — температуру внутри массива, всегда большую, чем температура окружающей среды, вследствие экзотермии цемента.

Пути ускорения твердения бетона в нормальных температурно-влажностных условиях. Имеется несколько способов ускорения твердения бетона в нормальных условиях. Один из них — замена цемента данной активности другим более высокой марки.

Другой способ — снижение водоцементного отношения (В/Ц), что не только повышает конечную прочность бетона, но и ускоряет ее нарастание. Это можно видеть из табл. 4, составленной для бетонов высоких марок (600—700).

Относительная прочность бетона с 5/Д = 0,3 всегда выше относительной прочности бетона с ВЩ — = 0,5, что свидетельствует об ускорении процесса твердения бетона с уменьшением водоцементного отношения.

С другой стороны, при снижении ВЩ до 0,3 резко повышается жесткость бетонной смеси. Поэтому в случае применения такого приема для ускорения твердения бетона в нормальных условиях требуется увеличить работу уплотнения. Эффективное средство ускорения'твердения бетона — это применение добавок ускорителей твердения, особенно хлористого кальция, который не только ускоряет процесс твердения бетона в ранние сроки, но и повышает его 28-дневную прочность.

Объясняется это быстрым взаимодействием CaCls с СзА, в результате чего образуется ЗСаО • AlgOa СаС12- Н20, повышающий прочность цементного камня, особенно в первые сроки твердения. Кроме того, хлористый кальций пластифицирует бетонную смесь, что позволяет снизить расход цемента и воды, а благодаря своей

гигроскопичности — уменьшает водопотери твердеющим бетоном при бетонировании в сухую жаркую погоду.

Хлористый кальций и поваренная соль при повышенном содержании их в бетоне снижают температуру замерзания воды и обеспечивают твердение бетона при отрицательных температурах наружного воздуха. Вместе с тем хлористый кальций, соляная кислота и некоторые другие добавки при повышенной эксплуатационной влажности конструкций способствуют коррозии арматурной стали в бетоне. Поэтому применение этих добавок существующими строительными нормами ограничивается 2% СаС12 (в расчете на безводную соль) и 1,5% НС1 от веса цемента для железобетонных конструкций и соответственно 3 и 2% для конструктивно армированных и неармированных конструкций.

В некоторых случаях целесообразно сочетать пластификаторы и ускорители твердения (например, ССБ + СаС12), а также применять некоторые комплексные добавки (например, CaCk + NaNOs). Следующий путь ускорения твердения бетона —домол цемента в построечных условиях или на заводе сборных железобетонных изделий. Обычно цементные заводы поставляют потребителям цемент с тонкостью помола, характеризующейся удельной поверхностью 2500—3000 см2/г {по Товарову). Домол цемента до удельной поверхности 4500—5000 см2/г в мельницах мокрого или сухого помола значительно увеличивает активность цемента. Так, опыты, проведенные по мокрому домолу цемента, повысившему удельную поверхность с 2700 до 5000 см2/г, показали увеличение прочности раствора (с В/Д = 0,5) в суточном возрасте примерно в 4 раза и 28-дневном возрасте примерно в 2 раза.

2.Твердение бетона при повышенных температурах.

Для ускорения твердения бетона используют различные способы: механические — повышение удельной поверхности цемента или активация бетонной смеси; химические — введение добавок, ускоряющих твердение; тепловые — пропаривание и электропрогрев. Первые два способа рассматриваются в гл. 11. Тепловые способы, получившие наибольшее распространение в производстве сборного железобетона, требуют более подробного рассмотрения, так как для получения требуемых свойств бетона при производстве железобетонных изделий часто приходится учитывать режимы прогрева л еще целый ряд факторов.

Как известно, нагрев ускоряет химические реакции. Повышение температуры бетона активизирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет твердение бетона. При этом фазовый состав продуктов гидратации цемента, твердеющего при разных температурах, практически остается одинаковым. Рост прочности бетона при нагреве может, как и при нормальном твердении, выражаться логарифмической зависимостью, однако со своими коэффициентами.

Поскольку скорость нарастания прочности в процессе тепловой обработки, достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то практически нецелесообразно проводить обработку до получения предельной прочности. Обычно тепловую обработку заканчивают при прочности бетона 70 .. 80% от предельных значений В этом случае обеспечивается достаточно интенсивный рост прочности бетона после тепловой обработки и она достигает в возрасте 28 сут заданной средней прочности бетона, а время прогрева сокращается в 2 . 3 раза по сравнению с тем временем, которое потребовалось бы для получения предельной прочности. При этом предполагается, что пропаривание начнется приблизительно через 2 ч после формования изделия, а подъём температуры будет плавным (а течение 3 ч до 80° C)

Если рассмотреть суммарное влияние цемента на прочность бетона при пропаривании и на продолжительность тепловой обработки, то наиболее подходящими цементами для этого случая считают шлакопортландцементы, особенно с большой добавкой шлака, и среднеалюминатные цементы с повышенным содержанием C3S.

Следует заменить, что на характер нарастания прочности бетона при тепловой обработке влияют состав бетона и ряд других факторов. В частности, ускорению твердения при пропаривании и других видах тепловой обработки содействует уменьшение водоцементного отношения бетоне

Приведенные выше данные и рекомендации относятся к случаям, когда тепловая обработка проводится .по рекомендованным оптимальным режимам. Нарушение режимов обработки может привести к резкому ухудшению свойств бетона, к появлению трещин и других дефектов в изделии

Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся новообразования цементного камня как бы закрепляют расширившийся объем бетона. При охлаждении бетон сжимается, однако возникшая структура препятствует этому и в бетоне наблюдаются остаточные деформации, т. t его объем после тепловой обработки оказывается больше, чем первоначальный. Увеличение объема приводит к повышению пористости бетона и понижению его прочности. Кроме того, при прогреве могут возникать микротрещины и другие дефекты которые, незначительно изменяя пористость бетона, могут заметно понизить его прочность.

При длительном твердении наивысшую прочность показывает бетон, объем которого при данном количестве материалов является наименьшим, так как в этом случае плотность новообразований цементного камни будет наибольшей. Этим требованиям соответствуют укладка и первоначальное твердение бетона при температуре 0 ... 4 °С. так как при 4 °С плотность воды наибольшая

Еще в большей мере, если нет препятствий, расширяется при нагреве воздух или пар. Увеличение объема газообразной фазы в бетоне, которое в условиях свободного расширения при нагреве до 80 °С превышает первоначальный объем в два раза. В действительности этого не происходит, так как структура бетона препятствует свободному расширению газообразной фазы. В результате в бетоне возникает внутреннее давление (в пузырьках воздуха и пара), которое может достигать 0,01 ... ... 0,015 МПа. Избыточное давление зависит от характера структуры. При определенном давлении сплошность структуры нарушается — пар выходит из бетона, избыточное давление далее не растет и даже снижается, однако при этом может значительно ухудшиться структура бетона.

Важное значение при твердении имеет и контракция цементного камня. Дополнительный объем пор, возникающий вследствие контракции, является тем резервным объемом, в который может отжиматься вода при ее расширении. Поэтому контракция способствует уменьшению дефектности структуры бетона.

Возникновение избыточного давления в бетоне зависит от режима прогрева. Обычно бетон нагревается с поверхности, поэтому и избыточное давление в первую очередь возникает у его поверхности. При медленном нагреве избыточное давление бывает очень небольшим, так как миграция влаги из области с повышенным давлением в более холодные части изделий и диффузия пара способствуют уменьшению избыточного давления. При очень быстром нагреве эти факторы не успевают проявляться в должной мере и избыточное давление резко возрастает, что в ряде случаев может привести к непоправимым дефектам и браку, в частности к вспучиванию верхней поверхности изделий.

Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при его нагреве, особенно вследствие нагрева воды и газообразной фазы. Наибольшие изменения в структуре возникают, если нагрев начинается сразу же после окончания формования изделия, когда прочность мала и не оказывает противодействия расширению составляющих бетона, а температурные деформации ничем не ограничены (пропаривание изделия в открытой форме или на поддоне). При этом чем быстрее растет температура бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличиваемся остаточная деформация.

Если нагрев начинается после того, как бетон схватится и достигнет определенной прочности, то температурные деформации резко уменьшаются, так как образовавшаяся структура противодействует расширению воды и газообразной фазы. Разрыхление структуры и остаточные деформации резко уменьшаются, свойства бетона улучшаются. Для получения наилучших результатов необходимо, чтобы прочность структуры в процессе нагрева всегда превосходила внутренние напряжения в бетоне

В наименьшей степени бетон расширится, если возрастет только объем твердой фазы.

При охлаждении в бетоне возникают напряжения вследствие того, что образовавшаяся структура препятствует его температурному сжатию. В результате бетон не может уменьшиться до первоначальных размеров, а возникшие внутренние напряжения постепенно релаксируются но оказывают некоторое влияние на его последующее твердение, несколько уменьшая прочность бетона, особенно при испытании сразу же после охлаждения, а также его усадку.

Пористость в процессе тепловой обработки увеличивается главным образом за счет капиллярных пор, так как поры геля, образующиеся при твердении цементного камня, обычно появляются и развиваются несколько позже, чем происходит основное расширение бетона при нагревании. Кроме того, дополнительный объем, необходимый для компенсации давления в порах геля, очень мал и обычно для этого вполне достаточно объема пор, возникающих при контракции цементного камня. Так как при пропаривании увеличивается объем капиллярных пор, то снижается морозостойкость и ухудшаются другие свойства бетона. Применение жестких закрытых форм, ограничивающих расширение бетона, способствует улучшению его качества.