Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

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.

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.

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).

Теплота гидратации цементов определяется по ГОСТ 310.5—80.