Особенности твердения бетонов из горячих смесей
При оценке прочностных показателей бетона из горячих смесей необходимо руководствоваться четырьмя критериями: прочностью бетона в раннем возрасте (сразу после распалубки или через сутки после нее), месячной прочностью бетона из горячей и холодной смесей того же состава, твердевших в нормальных условиях, и месячной прочностью бетона нормального твердения из холодной смеси того же состава, но с меньшим ВЩ.
Эксперименты проводились с соблюдением следующих условий:
1) при укладке горячих подвижных смесей их подвижность-была .в пределах 5—9 СМ осадки конуса;
2) при укладке горячих жестких смесей показатель жесткости находился в пределах 50—60 СЕК по техническому вискозиметру;
3) кубы из горячей смеси после формования выдерживали в течение 4—5 ч при температуре +80°С. Последующее твердение кубов происходило в нормальных условиях вместе с контрольными образцами;
4) контрольные кубы были изготовлены из смеси, используемой при разогреве (т. е. того же состава и водосодержания, что и горячие).
Известно, что при тепловой обработке бетона определяющее влияние на кинетику роста и величину его прочности оказывают два минерала цементного клинкера: трехкальциевый алюминат и трехкальциевый силикат. Последний является основным носителем прочностных свойств цемента. Но при прогреве темпы роста прочности и ее конечная величина зависят от трехкальциевого алюмината, содержание которого может быть различным. Так, наибольший рост прочности в первые часы прогрева наблюдается у высокоалюминатных цементов.
Однако в месячном возрасте прочность их оказывается на 10—20% ниже, чем она могла быть при нормальном твердении, в то время как те же показатели прочности у среднеалюминатных цементов весьма близки друг другу, а низкоалюмннатмые цементы могут даже обеспечить получение результатов в прогретых образцах более высоких, чем у образцов, твердевших в нормальных условиях [I].
Эта закономерность сохраняется только при жестких составах горячих смесей в раннем возрасте. В остальных случаях проявляются преимущества предварительно электроразотретых смесей на низко и среднеалюминатных цементах.
Весьма характерным и постоянным оказался недобор прочности бетона из жестких смесей в месячном возрасте (независимо от минералогического состава цемента). Причем, как показали специальные исследования, при обычных расходах цемента и увеличении В/Ц до 0,65—0,75 недобор прочности полностью исчезает.
Другим аномальным моментом применения горячих смесей является относительно более медленный в раннем возрасте набор прочности жесткими составами сравнительно с подвижными (независимо от минералогии цемента).
Преимущества составов с повышенным содержанием воды, проявляющиеся в короткие сроки твердения, специфичны для горячих смесей: вследствие повышенной водопотребности жесткие составы с низким В/Ц оказываются часто недостаточно эффективными.
Повышенная водопотребность цемента в горячих смесях может быть проиллюстрирована данными о количестве связанной воды при различных условиях вызревания бетона. Эксперименты, проведенные во ВНИИЖелезобетоне, говорят о том, что в ранние сроки твердения связывание воды в бетоне из горячих смесей происходит в 1,5 раза быстрее, чем аналогичный процесс при пропаривании. В последующий период твердения количество связанной воды в бетоне из горячих смесей примерно такое же, как и при нормальном твердении, но во всех случаях оно оказывается больше, чем в пропаренном бетоне.
В целях определения взаимодействия цемента с водой в лаборатории физико-химических исследований НИИЦемента методом количественного рентгенографического анализа была определена степень гидратации минералов портландцементного клинкера [2]. Опыты проводились на цементном тесте нормального твердения и разогретом по тому же режиму, что и бетонные образцы из горячих смесей. При этом был использован низкоалюминатиый Ахангаранский портландцемент.
В 28-суточном возрасте степень гидратации прогретых цементных образцов оказалась на 5% ниже, чем в образцах нормального твердения (70 и 75%).
При прогреве бетонной смеси на этом цементе прочность прогретых образцов в 28-суточном возрасте оказалась выше, чем образцов нормального твердения, хотя степень гидратации в цементном тесте обоих видов твердения оказалась практически одинаковой.
Анализ термограмм, полученных в лаборатории физико-химических исследований ВНИИНСМа, показал, что фазовый состав продуктов гидратации при использовании горячих смесей идентичен наблюдаемым при твердении в обычных условиях. Этот результат совпадает с данными, полученными Р. Ковачем [3], который указывает, что различия наблюдаются только в составе гидроалюминатов. Некоторые авторы |4, 5] считают, что при обработке смеси электротоком большое значение имеет правильная дозировка гипса, обеспечивающего связывание трех кальциевого алюмината в гидросульфоалюминат. Эта мера вызывается обильным образованием сульфоалюминатов, наблюдаемым при электропрогреве.
Исследования, проведенные в НИИЦементе (Ю. М. Малиинным и А. Б. Бреслером), объясняют взаимосвязь, существующую между пластическими свойствами горячей смеси и процессами последующего твердения бетона. Ими установлено, что ускорение загустевания разогретой смеси на первом этапе, т. е. в процессе электроразогрева, вызывается интенсивным образованием гидросульфоалюмпната кальция (что совпадает сданными других исследований), а продолжающийся вслед за пил, в период выдержки горячен смеси, процесс окончательной потерн пластических свойств связан с началом кристаллизации Си(ОН)2, который происходит в основном периоде гидратации трехкальциевого силиката. При этом было установлено, что в условиях повышенного водосодержання смеси и сравнительно высоких температур, происходит образование крупных правильной гексагональной формы кристаллов Са(ОН)2. Величина кристаллов возрастает с ростом температуры (40 u и менее — при нормальном твердении, u — при 75° и 60 u —при 90°).
Из этого видно, что технологические особенности горячего формования способствуют быстрому росту прочности цементного камня на ранних стадиях твердения, что связано с увеличением размеров отдельных кристаллов и кристаллов Са(ОН)2, возникающих в условиях повышенных температур. Это явление наиболее четко наблюдается при большом водосодержании смеси и повышенном содержании алита. Поэтому лучшие прочностные показатели в раннем и в месячном возрасте получены на низко- и среднеалюминатных алнтовых цементах и подвижных составах с высоким водосодержанием.
Таким образом, повышение водосодержания в горячих смесях приводит к ускорению процесса твердения и более полной гидратации цемента. Однако это лишь одна сторона процесса, связанного с введением дополнительной воды.
Если сопоставить прочность бетона из горячей смеси в месячном возрасте с марочной прочностью бетона того же состава, но с меньшим В/Ц (соответствующим подвижности холодной смеси, равной горячей в диапазоне 5—9 см осадки конуса) окажется, что дополнительное введение воды приводит к снижению прочности бетона из горячей смеси в среднем на 18%.
Минералогический состав цементов почти не повлиял на величину потерь прочности образцов из горячей смеси при увеличении ее водосодержания.
Из числа первых трех цементов с одинаковым содержанием СзА (4%) Белгородский выделяется высоким содержанием алита. Однако полученный на нем результат очень близок к зафиксированному на Подольском цементе, содержащем алита на 12% меньше.
Только на Воскресенском цементе с повышенным содержанием алюмината увеличение количества воды в составе не сказалось на прочности. Здесь необходимо принять во внимание, что фактическое увеличение В/Ц в производственных условиях составляет лишь половину расчетной вследствие больших влагопотерь. Поэтому расчет, произведенный по упрощенной формуле Боломея, применительно к составам для кассетной технологии при максимальном увеличении ВЩ на 15% показывает, что потери прочности могут составить 19% (что совпадает с лабораторными данными), в то время как при фактическом увеличении ВЩ на 7% они не превысят 10%.
Для уменьшения водосодержания и роста прочности бетона большое значение имеет введение добавок ускорителей твердения, которые также являются и пластификаторами смеси. Они могут применяться в чистом виде илн в сочетании с поверхностно-активными веществами, за счет которых возможно дальнейшее существенное снижение ВЩ. Так, по данным ЦНИИЭП жилища, при введении 2% СаС12 появляется возможность уменьшить ВЩ на 1,5% (табл. 3), а по данным Горьковского домостроительного завода № 2, введение 1,5% СаС12 с 0,3% ССБ позволяет сократить ВЩ на 15%.
Однако к уменьшению водосодержамия горячих смесей следует подходить осторожно в связи с тем, что эта мера, как видим, приводит к возникновению ряда факторов, действующих одновременно и неоднозначно. В частности, не вызывает сомнений целесообразность уменьшения водосодержания в случае больших интервалов времени от затворения смеси до ее разогрева в связи с тем, что при нормальной температуре процессы взаимодействия цемента и воды в смесях с меньшим ВЩ протекают быстрее, что подтверждается данными.
Переходя к рассмотрению горячих керамзитобетонных смесей, следует отметить, что специфика их связана с пористой структурой заполнителя, которой в значительной мере определяется водосодержанием составов. В процессе разогрева и в последующий отрезок времени происходит миграция воды в заполнитель и из него в растворную составляющую смеси, вследствие чего по расходу воды горячие смеси не на много отличаются от обычных холодных.
Меньшая связность керамзитобетонной смеси по сравнению с тяжелыми составами приводит к более значительным потерям воды при разогреве и формовании за счет испарения и утечки, чем объясняется главным образом, необходимость увеличения водоцементного отношения.
Увеличенное водосодержание имеет значение не только для взаимодействий воды с цементом, но и с мелким заполнителем, обладающим гидравлической активностью, а пористость цементного камня не имеет особого значения в связи с тем, что расход цемента в бетонной смеси, как правило, выше необходимого с позиций обеспечения требуемой марки бетона изделий.
Так, в указаниях по проектированию конструкций крупнопанельных домов (СН 321—05) расход цемента оговаривается в размере не менее 200 КГ/М3, А вместе с активными пылевидными фракциями песка его должно бить не менее 250 КГ/М3 бетона.
Выводы
Более быстрый рост прочности бетона из горячих подвижных смесей происходит на алитовых цементах при повышенном водосодержании составов. Этого не происходит в жестких составах, при которых твердение бетона на высокоалюминатных цементах в раннем возрасте протекает более быстро, чем на средне- и низкоалюминатных. Повышение водосодержания положительно влияет также и на скорость роста прочности в первые часы твердения независимо от минералогии цемента, что связано с ускорением процесса кристаллизации гидрата окиси кальция.
Прочность тяжелого бетона, изготовленного из электроразогретых. смесей, ниже прочности контрольных образцов, приготовленных из холодной смеси того же состава одинаковой консистенции. В общем балансе различных факторов влияние водосодержания на прочность керамзитобетона из горячих смесей несущественно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кайсер П.Л. Чехова Р.С. Цементы для сборных железобетонных изделий, подвергаемых пропариванию. МДНТП. М., 1907.
2. Меликова Э.П., Соркер В.Н. Об особенностях формирования структуры цементного камня в бетонной смеси, подвергнутой предварительному электроразогреву. ЦНИИ ТЭСЛром . 1967.
3. Ковач Р. Исследование повышенных температур формования на процессы твердения портландцементов, М. 1962.
4. Горчаков Г. И. Требования к цементам для сборных железобетонных изделий. «Бетон и железобетон», 1968. № 6.
5. Кравченко И. Е., Саломатина Ю. И. Цемент для железобетонных изделий, изготавливаемых с применением пропаривания. «Строительные материалы», 1955, № 4.
Кандидаты техн. наук Д. С. МИХАНОВСКИЙ, Ю. П. КЛДОШНИК
журнал бетон и железобетон 1969