Выделение тепла при застывании бетона

Обновлено: 02.05.2024

Твердение цемента сопровождается выделением тепла. Необходимо учитывать как абсолютное количество выделяющегося тепла, так и, ход процесса тепловыделения во времени. Если тепло выделяется очень медленно, то это обычно не вызывает вредных последствий. Если же этот процесс идет сравнительно быстро и тепловыделение значительно, то применять данный цемент для возведения массивных сооружений затруднительно.

Когда возводятся сооружения с небольшими поперечными сечениями, то выделяющееся при твердении тепло сравнительно быстро отдается в окружающее пространство и не вызывает значительного повышения температуры. В сооружениях же из массивного бетона (с большим поперечным сечением) это тепло сохраняется в глубине массива продолжительное время, что вызывает довольно большой подъем температуры и медленное ее падение. Это объясняется тем, что теплоотдача во внешнюю среду затруднена здесь значительной толщиной массива и быстрыми темпами бетонирования (механизированная укладка больших масс бетона). В результате между внутренними и наружными частями сооружения создается разность температур и возникают вредные внутренние напряжения, которые могут вызвать образование трещин в затвердевшем бетоне. Это ведет к нарушению его монолитности.

Чем быстрее гидратируется цемент, тем скорее и больше выделяется тепла. Цементы с высоким содержанием трехкальциевых силиката и алюмината выделяют больше тепла и скорее, чем цементы с высоким содержанием двухкальциевого силиката и четырехкальциевого алюмоферрита. Однако у последних прочность более низкая.

Повышенное содержание в клинкере стекловидной фазы увеличивает тепловыделение, так как у вещества в стекловидном состоянии запас энергии больше и скорость гидратации стекловидной фазы выше, чем у выкристаллизовавшихся соединении.

Кроме состава клинкера, на количество тепла, выделяющегося при твердении цемента, влияют следующие факторы: степень обжига, тонкость помола, количество взятой для затворения воды, наличие в цементе гидравлических и микронаполнительных добавок, температура окружающей среды, длительность магазинирования цемента, содержание цемента в мельнице объема бетона и теплоемкость последнего. Следует вообще отметить, что все факторы, ускоряющие процесс твердения, повышают тепловыделение, а замедляющие твердение — понижают его.

Для снижения температуры твердеющего массивного бетона наряду с применением низкотермичных цементов стремятся уменьшить расход цемента на 1 м 3 бетона; прибегают также к искусственному охлаждению укладываемого бетона.

Значительное выделение тепла при зимнем строительстве желательно, так как облегчает производство бетонных работ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Метод определения тепловыделения при твердении

Concretes. Method for determination of exothermic heat in hardening

Дата введения 1982-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 19 июня 1980 г. N 90 срок введения установлен с 01.01.82

Переиздание. Март 1986 г.

Настоящий стандарт распространяется на цементные бетоны и устанавливает метод определения удельного тепловыделения цемента в бетоне, твердеющем в адиабатических условиях, путем установления величины подъема температуры во времени и последующего проведения необходимых расчетов.

Метод следует применять при возведении массивных сооружений, которые требуют принятия в конкретных условиях специальных мер к регулированию температурных напряжений, возникающих в результате выделения тепла цементом в твердеющем бетоне.

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ БЕТОННОГО ОБРАЗЦА

1.1. Подбирают бетон реального состава, рассчитывают расход составляющих этого бетона (гравий, щебень, песок, цемент, вода, добавки) в зависимости от объема применяемых форм и приготовляют бетонную смесь.

Составляющие и форму с крышкой взвешивают с погрешностью до 0,1%.

2.1. Для установления величины подъема температуры в твердеющем бетоне применяют адиабатический калориметр, в состав которого входит следующая аппаратура:

адиабатическая камера, которая должна быть изготовлена из материала малой теплопроводности, снабжена устройством для подогрева и охлаждения воздуха в камере, вентиляторами для обеспечения непрерывного его перемешивания и устройством для автоматического поддержания адиабатического режима твердения бетонного образца с допустимым отклонением температуры среды от температуры бетона не более 0,2 °С. Допускается применение адиабатических камер с водной средой с устройством для ее охлаждения, нагрева и интенсивного перемешивания;

формы для изготовления образцов-кубов с ребром длиной 400 мм или образцов-цилиндров диаметром и высотой 400 мм. Для изготовления образцов-кубов из бетонов с заполнителем максимальной крупностью 20 и 40 мм допускается применять формы с ребром длиной 200 и 300 мм, а для изготовления образцов-цилиндров формы диаметром 200 и 300 мм. Высоту цилиндра следует принимать равной его диаметру. Теплоемкость формы не должна превышать 5% теплоемкости бетонного образца. Формы должны быть оснащены крышкой, поддоном-тележкой и кожухом;

самопишущие приборы, регистрирующие температуру бетона и в камере, которые должны обеспечивать измерение температуры до 100 °С с погрешностью не более 0,25%.

2.2. Адиабатический калориметр следует изготавливать по технической документации, утвержденной в установленном порядке.

2.3. Адиабатический калориметр через каждые три месяца и после длительной (более года) остановки следует регулировать с целью обеспечения его работы в адиабатическом режиме в соответствии с обязательным приложением 1.

2.4. Поверка приборов измерения температуры производится в соответствии с требованиями стандартов системы обеспечения единства измерений.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

3.1. Приготовленную бетонную смесь укладывают в форму, в центр образца вводят датчики температуры для регистрирующей и регулирующей аппаратуры и бетонную смесь вибрируют.

Датчики внутри камеры размещают на уровне центра образца. Форму с бетонной смесью закрывают крышкой, зазор между крышкой и формой уплотняют водонепроницаемой замазкой.

Примечание. Допускается в центр образца в процессе укладки и уплотнения бетонной смеси помещать медную или латунную трубку с трансформаторным маслом, в которую затем вводят датчики температуры для регистрирующей и регулирующей аппаратуры.

В калориметрах с водной средой крышка должна быть с резиновой прокладкой и прижиматься к форме болтами.

3.2. Температуру в адиабатической камере доводят до температуры испытуемой бетонной смеси.

3.3. Форму с бетонной смесью закрывают кожухом и помещают в адиабатическую камеру, которую затем плотно закрывают.

3.4. Включают автоматическое регулирующее устройство адиабатической камеры, которое обеспечивает поддержание температуры в камере, равной температуре бетона в процессе его твердения.

3.5. Включают регистрирующий прибор, который производит автоматический замер и запись температуры бетона на ленту самопишущего прибора. Начальная температура бетонной смеси должна быть замерена после ее укладки в форму не позднее 1 ч.

3.6. Замеры следует продолжать до тех пор, пока рост температуры бетона будет превышать 1 °С за 5 сут.

Могут быть установлены другие сроки проведения испытания.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Температуру бетона с лент регистрирующих приборов записывают в журнал в соответствии со справочным приложением 2.

Кривую подъема температуры строят в соответствии со справочным приложением 3.

4.2. Удельное тепловыделение цемента в бетоне , кДж/кг (ккал/кг), за данный промежуток времени определяют по формуле

где - теплоемкость бетонной смеси и формы, кДж/К (ккал/°С);

- масса цемента, кг;

- начальная температура бетонной смеси, К (°С);

- температура бетона в конце данного промежутка времени, К (°С);

- теплоемкость бетонной смеси, кДж/К (ккал/°С);

- теплоемкость формы, кДж/К (ккал/°С).

4.3. Теплоемкость бетонной смеси вычисляют по формуле, кДж/К

или по формуле, ккал/°С

где - масса песка, кг;

- масса щебня (гравия), кг;

Приведенная формула расчета теплоемкости может применяться, если удельные теплоемкости составляющих бетонную смесь материалов неизвестны. При наличии этих данных следует применять формулу

или

где - удельная теплоемкость цемента, кДж/(кг·К) [ккал/(кг·°C)];

- удельная теплоемкость песка, кДж/(кг·К) [ккал/(кг·°C)];

- удельная теплоемкость щебня, кДж/(кг·К) [ккал/(кг·°C)].

4.4. Теплоемкость формы , кДж/К (ккал/°С), вычисляют по формуле

где - удельная теплоемкость материала формы, кДж/(кг·К) [ккал/(кг·°С)];

- масса формы с крышкой, кг.

4.5. Повышение температуры бетона с поправкой на теплоемкость формы вычисляют по формуле

4.6.Расчет удельного тепловыделения цемента в бетоне производят с погрешностью до 0,1 ккал/кг и результаты заносят в журнал (см. приложение 2).

4.7. Удельное тепловыделение цемента в бетоне, твердеющего в адиабатических условиях, определяют как среднее значение результатов испытания не менее трех образцов, изготовленных из бетона одинакового состава и имеющих одинаковую начальную температуру бетонной смеси (±1 °С).

4.8. Полученные данные об удельном тепловыделении цемента в бетоне следует применять при разработке мероприятий по снижению температурных напряжений в возводимых массивных сооружениях.

РЕГУЛИРОВКА АДИАБАТИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА

Для регулировки калориметра изготавливают образец из бетона реального состава, в котором цемент заменяют мелкодисперсным инертным материалом, или используют "старый" бетонный образец с законченным экзотермическим процессом.

Затем образец разогревают до температуры 30-40 °С и продолжают испытания в соответствии с требованиями пп.3.2-3.5 настоящего стандарта.

Адиабатический калориметр следует считать отрегулированным, если отклонение температуры образца от начальной не будет отличаться на 0,5 °С в течение 10 сут.

В случае отклонения температуры образца от начальной выше установленного уровня следует провести соответствующее регулирование приборов и испытание калориметра повторить.

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.

Стандарт распространяется на цементные бетоны и устанавливает метод определения удельного тепловыделения цемента в бетоне, твердеющем в адиабатических условиях, путем установления величины подъема температуры во времени и последующего проведения необходимых расчетов.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ТВЕРДЕНИИ

ГОСТ 24316-80

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА

Всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом гидротехники имени Б.Е. Веденеева (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева) Министерства энергетики и электрификации СССР

Научно-исследовательским сектором Гидропроекта имени С.Я. Жука Министерства энергетики и электрификации СССР

Грузинским научно-исследовательским институтом энергетики и гидротехнических сооружений (ГрузНИИЭГС) Министерства энергетики и электрификации СССР

ИСПОЛНИТЕЛИ

В.Б. Судаков, канд. техн. наук (руководитель темы); А.А. Борисов, канд. техн. наук; С.В. Шаркунов; А.С. Магитон; Г.И. Чилинаришвили, канд. техн. наук; И.И. Костин; А.Д. Осипов, канд. техн. наук

ВНЕСЕН Министерством энергетики и электрификации СССР

Зам. министра Ф.В. Сапожников

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 19 июня 1980 г. № 90

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Метод определения тепловыделения при твердении

Concrete. Methods of the determination
of exethermic neat in concrete

ГОСТ
24316-80

Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 19 июня 1980 г. № 90 срок введения установлен

с 01.01.1982 г.

1.1 . Подбирают бетон реального состава, рассчитывают расход составляющих этого бетона (гравий, щебень, песок, цемент, вода, добавки) в зависимости от объема применяемых форм и приготовляют бетонную смесь.

Составляющие и форму с крышкой взвешивают с погрешностью до 0,1 %.

(Измененная редакция).

2.1 . Для установления величины подъема температуры в твердеющем бетоне применяют адиабатический калориметр, в состав которого входит следующая аппаратура:

адиабатическая камера, которая должна быть изготовлена из материала малой теплопроводности, снабжена устройством для подогрева и охлаждения воздуха в камере, вентиляторами для обеспечения непрерывного его перемешивания и устройством для автоматического поддержания адиабатического режима твердения бетонного образца с допустимым отклонением температуры среды от температуры бетона не более 0,2 ° С. Допускается применение адиабатических камер с водной средой с устройством для ее охлаждения, нагрева и интенсивного перемешивания;

формы для изготовления образцов-кубов с ребром длиной 400 мм или образцов-цилиндров диаметром и высотой 400 мм. Для изготовления образцов-кубов из бетонов с заполнителем максимальной крупностью 20 и 40 мм допускается применять формы с ребром длиной 200 и 300 мм, а для изготовления образцов-цилиндров формы диаметром 200 и 300 мм. Высоту цилиндра следует принимать равной его диаметру. Теплоемкость формы не должна превышать 5 % теплоемкости бетонного образца. Формы должны быть оснащены крышкой, поддоном-тележкой и кожухом;

самопишущие приборы, регистрирующие температуру бетона и в камере, которые должны обеспечивать измерение температуры до 100 ° С с погрешностью не более 0,25 %.

(Измененная редакция).

2.2 . Адиабатический калориметр следует изготавливать по технической документации, утвержденной в установленном порядке.

2.3 . Адиабатический калориметр через каждые три месяца и после длительной (более года) остановки следует регулировать с целью обеспечения его работы в адиабатическом режиме в соответствии с обязательным приложением 1 .

2.4 . Поверка приборов измерения температуры производится в соответствии с требованиями стандартов системы обеспечения единства измерений.

3.1 . Приготовленную бетонную смесь укладывают в форму, в центр образца вводят датчики температуры для регистрирующей и регулирующей аппаратуры и бетонную смесь вибрируют.

Примечание . Допускается в центр образца в процессе укладки и уплотнения бетонной смеси помещать медную или латунную трубку с трансформаторным маслом, в которую затем вводят датчики температуры для регистрирующей и регулирующей аппаратуры.

В калориметрах с водной средой крышка должна быть с резиновой прокладкой и прижиматься к форме болтами.

3.2 . Температуру в адиабатической камере доводят до температуры испытуемой бетонной смеси.

3.3 . Форму с бетонной смесью закрывают кожухом и помещают в адиабатическую камеру, которую затем плотно закрывают.

3.4 . Включают автоматическое регулирующее устройство адиабатической камеры, которое обеспечивает поддержание температуры в камере, равной температуре бетона в процессе его твердения.

3.5 . Включают регистрирующий прибор, который производит автоматический замер и запись температуры бетона на ленту самопишущего прибора. Начальная температура бетонной смеси должна быть замерена после ее укладки в форму не позднее 1 ч.

3.6 . Замеры следует продолжать до тех пор, пока рост температуры бетона будет превышать 1 ° С за 5 сут.

Могут быть установлены другие сроки проведения испытания.

4.1 . Температуру бетона с лент регистрирующих приборов записывают в журнал в соответствии со справочным приложением 2 .

Кривую подъема температуры строят в соответствии со справочным приложением 3.

4.2 . Удельное тепловыделение цемента в бетоне q , кДж/кг (ккал/кг), за данный промежуток времени определяют по формуле

где С_общ = С_б.с + С_ф - теплоемкость бетонной смеси и формы, кДж/К (ккал/ ° С);

m _ц - масса цемента, кг;

t ₀ - начальная температура бетонной смеси, К ( ° С);

t - температура бетона в конце данного промежутка времени, К ( ° С);

С _б.с - теплоемкость бетонной смеси, кДж/К (ккал/ ° С);

С _ф - теплоемкость формы, кДж/К (ккал/ ° С).

(Измененная редакция).

4.3 . Теплоемкость бетонной смеси С_б.с вычисляют по формуле, кДж/К

или по формуле, ккал/ ° С

где т_п- масса песка, кг;

m _щ - масса щебня (гравия), кг;

т _в - масса воды, кг.

где С_у.ц - удельная теплоемкость цемента, кДж (кг × К) [ккал/(кг × ° C)];

С _у.п - удельная теплоемкость песка, кДж (кг × К) [ккал/(кг × ° C )];

С _у.щ - удельная теплоемкость щебня, кДж (кг × К) [ккал/(кг × ° C )].

(Измененная редакция).

4.4 . Теплоемкость формы С_ф, кДж/К (ккал/ ° С), вычисляют по формуле

где С_т.ф - удельная теплоемкость материала формы, кДж (кг × К) [ккал/(кг × ° C )];

m _ф - масса формы с крышкой, кг.

(Измененная редакция).

4.5 . Повышение температуры бетона с поправкой на теплоемкость формы D t вычисляют по формуле

4.6 . Расчет удельного тепловыделения цемента в бетоне производят с погрешностью до 0,1 ккал/кг и результаты заносят в журнал (см. приложение 2 ).

4.7 . Удельное тепловыделение цемента в бетоне, твердеющего в адиабатических условиях, определяют как среднее значение результатов испытания не менее трех образцов, изготовленных из бетона одинакового состава и имеющих одинаковую начальную температуру бетонной смеси ( ± 1 ° С).

(Измененная редакция).

4.8 . Полученные данные об удельном тепловыделении цемента в бетоне следует применять при разработке мероприятий по снижению температурных напряжений в возводимых массивных сооружениях.

Обязательное

Для регулировки калориметра изготавливают образец из бетона реального состава, в котором цемент заменяют мелкодисперсным инертным материалом, или используют «старый» бетонный образец с законченным экзотермическим процессом.

Затем образец разогревают до температуры 30 - 40 ° С и продолжают испытания в соответствии с требованиями пп. 3.2 - 3.5 настоящего стандарта.

Температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации, что положительно влияет на рост прочности бетона. Резкое ускорение процессов твердения бетонов наступает при температурах 70-95С, и особенно при 170-20С. Однако при недостатке воды в бетоне воздействие повышенных температур замедляет процесс гидратации, снижает прочность бетонов. При полном испарении воды процесс твердения прекращается. Положительное влияние повышенных температур на скорость твердения бетонов послужило основой разработки и широкого применения в технологии железобетонных конструкций тепловлажностной обработки. Бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и др. При температурах более 100С тепловлажностную обработку ведут в автоклавах и специальных герметичных формах.
Для получения долговечного бетона важно свести к минимуму его деформации при температурном воздействии.
Остаточные деформации имеют место при недостаточном предварительном выдерживании бетона до тепловой обработки, повышенной скорости подъема температуры и ее снижения после отключения подачи пара.
Опасность возникновения трещин при развитии температурных напряжений повышается при обработке изделий большой толщины сплошного сечения или из ячеистых бетонов с повышенным водосодержанием.
Возникновение термических напряжений в бетоне возможно не только при его нагреве от внешних источников тепла, но и в результате саморазогрева за счет экзотермии при твердении. Трещинообразование в массивном бетоне носит обычно термический характер.
Тепловыделение, или экзотермия, бетона является следствием гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Анализ тепловыделения (калориметрический анализ бетона) является одним из наиболее объективных высокоинформативных методов исследования, широко используемый при исследовании кинетики процессов твердения цемента, оценке влияния его химико-минералогических и структурных особенностей, эффекта химических добавок, параметров порообразования, льдообразования и др. Обстоятельные исследования применения калориметрического анализа (в различных направлениях) выполнены О.П. Мчедло-вым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком.
Имеется положительный опыт использования калориметрических данных в компьютерных системах и информационных технологиях бетона.
Экспериментальное определение тепловыделения бетонов производится в калориметрах термосного, адиабатического или изотермического типов. Наиболее широкое распространение получили простые по устройству термосные калориметры, недостатком которых является переменный и по существу случайный температурный режим твердения образцов бетона. Для пересчета получаемых данных на изотермический режим твердения разработана расчетная методика установления т.н. эквивалентных сроков, т.е. таких сроков, в которые бетон при постоянной температуре твердения 20°С будет показывать те же величины тепловыделения, какие наблюдаются при проведении опыта в термосном калориметре. Установленная таким путем зависимость изотермического тепловыделения от времени твердения является основной характеристикой бетона для расчета температурных полей в массивных бетонных конструкциях.
В адиабатических калориметрах повышение температуры адекватно температуре в средней части крупных бетонных массивов, однако они сложны по устройству и редко используются на практике. Наиболее предпочтительными являются калориметры изотермического типа, позволяющие поддерживать температуру бетона в процессе измерения тепловыделения на постоянном уровне.
Для приближенной расчетной оценки тепловыделения бетона предложены зависимости, учитывающие удельное тепловыделение цемента, параметры состава бетона, температуру и длительность твердения.
Наиболее удобна для расчетного определения тепловыделения бетона зависимость, учитывающая удельное тепловыделение цемента.

Интенсивные деструктивные процессы при нагревании бетона идут при температуре более 200°С .

Нагрев в интервале 200-400°С приводит к постепенному снижению прочности цементного камня и бетона из-за дегидратации в основном гидроалюминатов, а также распада и перекристаллизации гидросульфоалюминатов кальция. При нагревании свыше 300°С нарушается структура цементного камня и бетона в результате различия деформаций гид-ратных продуктов цементного камня и непрогидратированых зерен цемента.
При 500-600°С идёт разложение гидратных новообразований и дегидратация Са(ОН)2 - продукта гидролиза клинкерных минералов, преимущественно трехкальциевого силиката, что способствует дальнейшему снижению прочности цементного камня.
В интервале 600-700°С возможно модификационное превращение р - 2СаО*SiO2 в у - 2СаО*SiO2, сопровождаемое некоторым увеличением объёма. Портландцементные образцы, прогретые до температуры 600-800°С, полностью разрушаются после выдерживания их в воздушно-сухих условиях в основном в результате вторичной гидратации оксида кальция. При непрерывном нагревании ДО 1200°С прочность цементного камня составляет 35-40% прочности контрольных образцов. При этом развивается значительная усадка - до 1 % и более.
Установление основной причины разрушения цементного камня - гидратации, образующегося при нагреве оксида кальция -позволило разработать основной способ придания ему жароупорных свойств. Этот способ заключается во введении в цемент или бетонные смеси тонкомолотых минеральных добавок, которые химически связывают СаО, не образуют с минералами цемента легкоплавких веществ, являются устойчивыми к воздействию высоких температур и уменьшают усадку цементного камня при нагревании.
Портландцемент по жаростойкости значительно уступает шлакопортландцементу, образующему при гидратации значительно меньшее количество Са(ОН)2. При достаточной величине остаточной прочности на сжатие бетона после нагревания до 800°С и использовании шлакопортландцемента отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок.
Специфическим видом разрушения бетона при тепловом воздействии является разрушение под воздействием огня в условиях пожара. Под влиянием высокотемпературного пламени снижается несущая способность бетонных и железобетонных конструкций, а через определённое время под действием огня возможно их разрушение. Снижение прочности бетона в условиях пожара происходит в результате развития внутренних напряжений вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения цементного камня и заполнителей. При температуре выше 500°С снижение прочности бетона под воздействием огня усиливается разложением гидроксида кальция и полиморфным превращением b-кварца в а-кварц.
Огнестойкость бетона, также, как и огнестойкость других строи-тельныхматериалов, характеризуется пределом огнестойкости - продолжительностью сопротивления воздействию огня до потери им прочности. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время, в течение которого они сохраняют несущие и ограждающие функции в условиях пожара. Потеря конструкцией несущей способности сопровождается ее внезапным либо очень быстрым обрушением. Ограждающая способность конструкций теряется, когда температура необогреваемой поверхности в среднем возрастает на 160°С и в смежных помещениях возможно самовоспламенение материалов. При этом в конструкциях образуются сквозные трещины, через которые проникают продукты горения и пламя.
Предел огнестойкости определяется испытанием образцов в специальной камере, где тепловой режим поддерживают по стандартной кривой температура-время.
Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций составляет 2-5 ч. Его повышают, увеличивая толщину бетонного слоя и подбирая соответствующий состав бетона.
Способность бетона противостоять, не разрушаясь, совместному действию напряжений от механической эксплуатационной нагрузки и термических напряжений при определенном числе циклов нагрева и охлаждения либо при температурном градиенте называют термостойкостью. Требования к термостойкости бетона и железобетонных конструкций зависят от их назначения, конкретных условий эксплуатации. Так, термостойкие агрегаты должны сохранять проектную прочность в течение всего нормативного срока эксплуатации, железобетонные колонны в зданиях 1-ой степени огнестойкости при пожаре не должны разрушаться ранее 2,5 ч, покрытие пола горячих цехов должно выдерживать попеременный нагрев и остывание при действии ударных нагрузок.
Существенное значение имеет вид заполнителя. Одним из важнейших факторов, влияющих на термическое расширение и термостойкость бетона, является его влажность. Равновесная влажность тяжелого бетона зависит от проницаемости бетона, степени гидратации и вида вяжущего, относительной влажности и температуры окружающей среды. Например, для тяжелого бетона на портландцементе с В/Ц=0,5 при 1=20°С равновесная влажность колеблется от 0,5 до 6,8% при изменении относительной влажности от 0,15 до 0,95. При интенсивном тепловом воздействии разрушению в большей степени подвергаются поверхностные слои бетона в изделиях и конструкциях с наибольшим градиентом влажности. Давление пара в бетоне в значительной степени зависит от скорости нагрева, проницаемости и начальной влажности. Наибольшее давление пара от теплового воздействия наблюдается при заполнении водой 70-80% порового пространства. Термостойкость бетона увеличивается с уменьшением размера крупного заполнителя, при тщательном приготовлении бетонной смеси и уходе за бетоном при его твердении с целью получения структуры с наименьшим количеством и минимальными по длине трещинами.
Величина коэффициента расширения и термостойкость уменьшаются с возрастом бетона. Большей термостойкостью будет обладать бетон с меньшими значениями модуля упругости, большей теплопроводностью. Важное значение имеет также различие температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Термостойкость бетона можно увеличить дисперсным армированием температуростойкими волокнами из асбеста, базальта или стальных фибр, конструктивным армированием, применением заполнителей из андезита, базальта, диабаза и других материалов, обеспечивающих минимальное различие температурных деформаций отдельных компонентов.

Читайте также: