Text
                    С. А. Миронов
Теория и методы
зимнего бетонирования
Издание третье, переработанное
и дополненное
ИЧВ.
Эк« Nv	г
Москва
Стройиздат
1975

УДК 693.547.3 Печатается по решению секции литературы по технологии строительных работ редакционного совета Стройиздата от 27 апреля 1973 г. Миронов С. А. Теория и методы зимнего бетонирования. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1975. 700 с. В книге изложены результаты исследований по вопросам твер- дения бетона при отрицательных и положительных температу- рах, а также влияния раннего замораживания на формирова- ние структуры и физико-механические свойства бетонов. В ней описаны методы производства бетонных и железобетонных ра- бот, рекомендуемые для применения в зимних условиях (тер- мос, электротермообработка, пропаривание, применение бето- нов, твердеющих на морозе, монтаж железобетонных изделий и конструкций с омоноличиванием стыков и др.). Книга предназначена для работников научно-исследователь- ских институтов, строительных лабораторий и инженерно-тех- нического персонала строительных и проектных организаций. Табл. 108, рис. 243, список лит.: 84 назв. 30207-585 047(01)-75 186-75 © Стройиздат, 1975
ПРЕДИСЛОВИЕ Со времени опубликования второго издания книги «Теория и методы зимнего бетонирования» прошло поч- ти 20 лет. За это время в нашей стране достигнуты боль- шие успехи в развитии теории и технологии зимнего бе- тона, а также в разработке методов производства бетон- ных и железобетонных работ в зимних условиях. За ис- текшие годы широкий размах приобрело применение сборных бетонных и железобетонных изделий в течение круглого года. Повышение качества цементов, примене- ние быстротвердеющих бетонов более высоких марок, введение добавок солей для получения бетонов, тверде- ющих на морозе, предварительный разогрев смесей вно- сят существенные изменения в технологию производства железобетонных работ в зимних условиях. На основе систематизации и обобщения накопленных данных высказанные ранее дискуссионные положения и гипотезы теперь зачастую подлежат замене на вполне обоснованные сложившиеся научные воззрения. В предыдущем издании книги вопросы теории зим- него бетонирования были связаны, главным образом, с рассмотрением роли минералогического состава порт- ландцемента, влияния технологических факторов на свойства бетонных смесей и физико-механические свой- ства бетонов, выдерживаемых при различных темпера- турах. В настоящем издании значительное внимание уделено исследованию фазовых превращений воды, гид- ратации цемента, тепловыделению не только при поло- жительных, но и при отрицательных температурах. При- водятся результаты исследований процессов твердения цемента и бетона при различных способах подведения тока, и в частности в электромагнитном поле, а также с применением греющих опалубок. За истекшие 20 лет были проведены новые исследо- вания со значительным углублением в физико-химиче- ские процессы твердения бетонов, с расширением обла- сти изучаемых факторов. Наряду с раскрытием химиче- ских свойств твердения цемента и бетона при отрицательных температурах большое внимание уделя- 1* 3
ется криологии зимнего бетона, деформативности его при замерзании, совершенствованию технологии бето- нов, подвергаемых тепловой обработке и замерзанию в самых разнообразных условиях, а также влиянию по- ристости заполнителей на свойства бетонов, подвергае- мых замораживанию. В связи с этим в настоящем издании книги некото- рые понятия претерпели изменения. Накопленные новые данные исследований, выполненных современными ме- тодами и с применением новейшей аппаратуры, а также сопоставление их с опытом строительства из железобе- тона дают возможность объяснить многие ‘явления го- раздо полнее и глубже. При написании этой книги автор использовал резуль- таты не только своих работ, но и данные исследований других ученых, работающих в области зимнего бетони- рования, а также привлек материалы как из отечествен- ных, так и иностранных литературных источников. Первый раздел книги пополнен результатами иссле- дований изменения фазового состояния воды, гидрата- ции цемента, тепловыделения и твердения бетона при отрицательных температурах, а также влияния раннего замораживания на его структуру, прочность, газо- и во- донепроницаемость и морозостойкость. Приводятся дан- ные о твердении бетона при тепловой обработке с ис- пользованием современных цементов, добавок, техноло- гии применения бетонов различного вида. В отдельных главах освещена роль предварительного выдерживания бетонной смеси перед укладкой и бетона перед прогре- вом, а также предварительного разогрева смеси. Изло- жены данные о применении добавок солей при тверде- нии бетона при отрицательных температурах, прочности бетона в замороженном состоянии. Второй раздел книги дополнен рекомендациями и описанием опыта зимнего бетонирования с применением на стройках метода термоса, различных способов элек- тротермообработки, а также бетонов, твердеющих на морозе, монтажа сборных железобетонных изделий и конструкций с омоноличиванием стыков. Приводятся данные об укладке бетона без искусственных способов обогрева его в конструкциях. Уделено значительное вни- мание специфике применения бетона в суровых клима- тических условиях Крайнего Севера и Восточной Сибири. В ряде случаев^ для сравнения^ описываются 4
технология зимнего бетонирования и опыт строительства при отрицательных температурах в зарубежных странах. Многие материалы, представляющие научный и прак- тический интерес для строителей, не могли быть осве- щены в этом издании. Поэтому автор намечает в буду- щем изложить накопленные им в течение 50 лет работы над проблемой зимнего бетонирования результаты тео- ретических исследований и практического опыта в сле- дующем, более полном издании. Автор выражает благодарность сотрудникам лабо- раторий ускорения твердения бетона и физико-химиче- ских исследований НИИЖБ и других организаций, с ко- торыми он поддерживает постоянные контакты в работе, за помощь, оказанную при подготовке книги к печати.
ВВЕДЕНИЕ Бетон и железобетон являются основными материа- лами современного промышленного, энергетического, жилищно-гражданского, дорожно-транспортного, сель- скохозяйственного и других видов строительства. Способность бетона твердеть и увеличивать свою прочность как на воздухе, так и под водой, возможность возводить из бетона и железобетона разнообразные кон- струкции и сооружения, в зависимости от их назначения и эксплуатационных условий, а также надежность и дол- говечность их службы издавна привлекали внимание строителей. Чтобы представить себе объемы применения бетона в различных странах и областях строительного произ- водства, отметим, что в Советском Союзе и в Соединен- ных Штатах Америки количество его уже исчисляется сотнями миллионов кубических метров в год. Во всем мире ежегодно при возведении зданий и сооружений различного назначения бетона укладывается около по- лутора миллиардов кубических метров. При этом бетон применяется повсеместно как в суровых холодных кли- матических условиях, так и в условиях жаркого и за- сушливого климата. Прототипом современного бетона можно считать строительный материал, применявшийся и описанный Витрувием еще в I в. до нашей эры. Искусственный ка- менный материал изготовлялся на основе извести и гид- равлически активных веществ типа пуццолан и битого кирпича с наполнителями из горных пород и применял- ся для устройства дорог и морских набережных. Витру- вий указывает, что, применяя надлежащий состав и хо- рошее уплотнение, можно получить такой материал, который «со временем придает свойство незыблемой твердости даже сооружаемым на море молам». Витру- вий отмечает, что бутовый камень, извлеченный из карь- еров, следует употреблять в кладку только после выдер- живания его в течение 1—2 лет на открытом воздухе. За этот период сильно насыщенная влагой горная поро- да теряет часть воды, а поэтому при замерзании зимой 6
не нарушает монолитности кладки. Этот опыт строи- тельства древних римлян следует использовать и в наше время, когда в дело применяется насыщенный крупный камень, который будет подвергаться замерзанию в бето- не. Чем ниже отрицательная температура и чем больше степень насыщения материала влагой, тем больше опас- ность появления трещин. Плиний (жил в I в. нашей эры и погиб во время из- вержения Везувия) в своей энциклопедии «Естественная история в 37 книгах» отмечал, что римляне добавляли к извести обожженную и измельченную глину, толченый кирпич или вулканический пепел. В древние и средние века было построено немало сооружений (водоводов, резервуаров, дорог и т. п.) из раствора и бетона на ос- нове этого простейшего гидравлического вяжущего. На юге нашей страны такой бетон обнаружен в остатках сооружений IV—VII вв. О применении в XI в. раствора, состоящего из извести и толченого кирпича, свидетель- ствуют остатки Успенского собора в Киеве. При строи- тельстве в XVII в. в Москве Сухаревской башни, разоб- ранной в 1935 г., при кладке также применялся извест- ковый раствор с добавлением толченого кирпича. При испытании раствора, взятого из крупных швов кладки, прочность его соответствовала марке 50. Изобретение цемента, обладающего высокой прочно- стью и послужившего впоследствии основой для изготов- ления железобетона, обычно относят к 1824 г., когда в Англии был выдан патент каменщику Аспдину. О по- добном простейшем цементе, получаемом обжигом из смеси извести и глины, написано в книге, изданной Е. Челиевым в России в 1825 г. Будучи начальником строительной команды при восстановлении в Москве зданий, пострадавших of пожаров во время Отечествен- ной войны в 1812 г., Е. Челиев разработал способ полу- чения цемента и научно обосновал его. Современный портландцемент получен в результате длительных поисков ученых многих стран мира и усо- вершенствования его технологии. Особенно много сдела- но в этом направлении после изобретения в 70-х годах XIX в. железобетона. Следовательно, портландцемент и железобетон имеют богатую 100—150-летнюю историю. В России впервые был применен железобетон при строительстве производственных, торговых, портовых и железнодорожных сооружений. Наибольшее применение 7
железобетона отмечается в столице и на юге страны, поскольку там были построены первые цементные заво- ды, а металлургические заводы могли обеспечить строй- ки стальной арматурой. Имело значение и то, что эти монолитные конструкции возводились в районах с не- продолжительной зимой. В связи с началом и быстрым развитием строитель- ства из бетона и железобетона во всех промышленно развитых странах были организованы эксперименталь- ные и теоретические исследования в данной области. Из отечественных исследователей дореволюционного периода хорошо известны профессора Н. А. Белелюб- ский, Н. А. Житкевич, И. Г Малюга, А. Р. Шуляченко. А. Р. Шуляченко является основоположником теории и практики заводского производства портландцемента в России. Известно, что один из старейших заводов, Глухоозерский завод по производству портландцемента, построенный в 1884 г., был основан и развивался при непосредственном техническом руководстве А. Р. Шуля- ченко. По его указаниям был построен и оборудован второй завод по производству портландцемента — Воль- ский, на основе которого в настоящее время создана целая группа заводов, производящих высококачествен- ный цемент. К 1903 г. в России уже работало 36 заводов, производящих в год 8 млн. бочек цемента. Проф. А. Р. Шуляченко вместе с Н. А. Белелюбским и И. Г. Ма- люгой в 1881 г. разработали первые в России технические условия на цемент, который в тот период еще привозил- ся из-за границы. Значительный вклад в русскую науку о бетоне сде- лал проф. И. Г Малюга, который в 1895 г. опубликовал в «Инженерном журнале» результаты своих исследова- ний по назначению составов бетона. В них впервые да- ются рекомендации по правильному назначению соотно- шения цемента к воде. Крупным обобщением, представляющим до настоя- щего времени большой интерес, явилась книга проф. Н. А. Житкевича «Бетон и бетонные работы», изданная в Петербурге в 1912 г. В главе «Способы возведения со- оружений» этой книги приводятся некоторые рекоменда- ции по производству бетонных работ во время мороза. Они сводятся, главным образом, к подогреву материа- лов, составляющих бетон, и производству работ в объем- ных тепляках, возводимых над всем сооружением. 8
Впервые правила расчета железобетонных конструк- ций были опубликованы Н. А. Белелюбским в 1904 г. В 1908 г. Министерство путей сообщения утвердило пер- вые технические условия по возведению железобетонных сооружений в России, в которых регламентировалось качество цемента, арматуры, заполнителей и бетона. Уже в 1913 г. было уложено около 3,5 млн. м3 бетона, на изготовление которого израсходовано более 1,3 млн. т портландцемента, а на армирование конструкций — около 340 тыс. т стали, т. е. 8% всего проката, произве- денного в России. Всего в тот год было произведено портландцемента 1,8 млн. т. В результате первой мировой, а затем гражданской войны народному хозяйству страны был нанесен огром- ный ущерб. Выплавка стали к 1921 г. снизилась в 20 раз, а производство портландцемента — в 28 раз. В условиях еще продолжающейся гражданской войны по инициати- ве В. И. Ленина Советское правительство приняло ряд решений о восстановлении народного хозяйства, в том числе о начале строительства первенца советской энер- гетики— Волховской гидроэлектростанции. В 1920 г. был принят Ленинский план ГОЭЛРО как основа перспек- тивного развития страны на базе электрификации всего народного хозяйства. С первых же лет периода восстановления и реконст- рукции народного хозяйства СССР в строительстве ста- ли широко применять бетон и железобетон. Тепловые и гидроэлектростанции с комплексом гидротехнических сооружений полностью возводились из этих материалов. Целиком из монолитного железобетона были выполнены многие промышленные здания, холодильники, элевато- ры, набережные и портовые сооружения. За этот период в строительстве было применено свыше 18 млн. м3 бе- тона и железобетона. На Волховстрое работали такие крупные специалисты, как академики Г О. Графтио и Б. Е. Веденеев, профессора Н. Н. Лукницкий и И. И. Кан- далов. Ими успешно были применены железобетонные кессонные основания при сооружении плотины на тре- щиноватых известняках. Примененные ими методы уст- ройства железобетонных кессонов европейскими специа- листами отмечались как наиболее рациональные. В 1925 г. были разработаны «Временные Технические Условия и нормы проектирования и возведения железо- бетонных сооружений», в которых кроме проектирова- 9
ния и правил возведения регламентировались составы бетона. Было установлено пять марок бетона с времен- ным сопротивлением от 8 до 20 МПа с расходом порт- ландцемента от 150 до 350 кг/м3. Производство бетон- ных и железобетонных работ в зимнее время допуска- лось только в тепляках при температуре выше 5° С. В зимние месяцы к производству этих работ прибегали лишь в отдельных случаях. Строительная промышлен- ность являлась сезонной отраслью народного хозяйства. Так было принято не только у нас в Союзе, но и в зару- бежных странах. Методы производства работ, связанные с применением бетонов и растворов в зимних условиях, нигде не были разработаны. В процессе восстановительного периода все возра- ставшие масштабы и темпы строительства ставили ряд сложных вопросов о рациональном применении строи- тельных материалов и конструкций. Потребовалось проведение экспериментальных и теоретических иссле- дований. В связи с этим в 1927 г. в Москве был создан Государственный институт сооружений (ГИС), преемни- ками которого явились ЦНИПС и затем ныне существу- ющие НИИЖБ и ЦНИИСК, а также ЦНИИОМТП и ряд других специализированных научно-исследователь- ских институтов строительной промышленности. Большое значение в разработке современной техно- логии бетона в СССР имели работы проф. Н. М. Беляева (Ленинград) и его школы. В 1927 г. им была издана брошюра, в которой изложен метод научно обоснован- ного подбора состава бетона. Известна также роль в раз- витии технологии бетона проф. И. П. Александрина, книга которого «Строительный контроль качества бето- на» выдержала шесть изданий. С 30-х годов школой академика К- С. Завриева в За- кавказье и проф. Б. Г Скрамтаева в Москве разработа- ны новые, более рациональные методы расчета и подбо- ра состава бетона. В годы первых пятилеток уделялось большое внимание экономному расходованию портланд- цемента, который не только удешевляет бетон, но и улуч- шает его технические свойства (уменьшает усадку и пол- зучесть, а при возведении массивных сооружений умень- шает тепловыделение). На V съезде Советов был принят закон о первом пя- тилетием плане развития народного хозяйства СССР. В 1929 г. впервые дано указание строителям о необходи- ю
мости перехода на круглогодичное производство строи- тельных работ. В ряде постановлений Госплана СССР и ВСНХ рекомендовалось всемерно расширять примене- ние в строительстве железобетона, как одного из наибо- лее дешевых и надежных конструктивных материалов, обеспечивающих сбережение крайне дефицитного ме- талла. В 1930—1931 гг. из монолитного железобетона возведены здание Госпрома в Харькове и большое коли- чество многоэтажных зданий, а также выполнены несу- щие конструкции на Харьковском тракторном заводе, на заводах в Москве, Свердловске, Ростове и других. Наряду с монолитом уже с 1930 г. стали применять сборные железобетонные балки в зданиях промышлен- ных цехов, например на Харьковском турбинном заводе, б машинных залах Нижнесвирьской и Верхнесвирьской ГЭС. Однако первые важные объекты первой пятилетки в зимнее время сооружались в тепляках, в которых со- здавались искусственные «летние» условия, что требо- вало чрезвычайно больших затрат труда рабочих, рас- хода лесоматериалов и топлива. Так, зимой 1930/31 г. было построено здание теплоэлектроцентрали в Бобрике Донском в тепляках высотой 19 м (рис. 1) и здание кок- сохимического завода в Кузнецке (рис. 2). В этот период еще только начиналась разработка бо- лее экономичных методов строительства железобетонных работ в зимнее время. На строительстве химкомбината в Бобрике Донском часть конструкций возводилась в тепляках, а часть — с утеплением по методу «термоса», массивные фундаменты под домну и воздухонагревате- ли на Магнитострое полностью забетонированы по ме- тоду «термоса». Начиная с зимы 1930/31 г. Мосстроем в опытном по- рядке, несколько жилых домов возводилось с подогревом материалов, а позднее методом замораживания. Желе- зобетонные работы в это время производились только в объемных тепляках. Начиная с 1929—1930 гг. в зимние месяцы в большом объеме начали производиться железобетонные работы в Ленинграде на строительстве промышленных зданий «Красного путиловца» (ныне Кировский завод). Кар- касные железобетонные конструкции возводились с обо- гревом в паровых рубашках. Устройство объемных теп- ляков требовало больших затрат труда, лесоматериа- 11
лов и топлива, а метод термоса для конструкций сред- ней массивности на применявшихся цементах не обеспе- чивал длительной выдержки бетона при положительных температурах до момента набора им требуемой прочно- сти. Электропрогрев бетона к тому времени еще не был разработан для практического использования. Рис. 1. Тепляки из фанерных щтов, применявшиеся при строитель- стве зданий теплоэлектроцентрали в Бобрике Донском зимой 1930/31 г Сезонность строительства приводила большим хо- зяйственным потерям, а самое главное, задерживала сроки окончания и сдачи готовых сооружений в эксплу- атацию. Это являлось одной из коренных причин отстава- 12
ния строительной промышленности от технического и организационного уровня других ведущих отраслей на- родного хозяйства. В связи с этим в резолюции XVII Всесоюзной парт- конференции 1932 г. была дана директива об уничтоже- Рис. 2. Тепляк, возведенный зимой 1930/31 при строительстве кок- сохимического завода в Кузнецке. (Под брезентовыми палатками прокладывают траншеи.) нии сезонности и переходе на строительство на протяже- нии круглого года при всемерном использовании опыта крупнейших строительных организаций и растущих кадров. Современное индустриальное строительство вообще немыслимо без использования в течение круглого года рабочих и инженерно-технических кадров, сложных ма- шин и механизмов, а также крупных сборных конструк- ций, поступающих на строительные площадки с заводов и полигонов. Теперь, когда уже разработаны и внедрены методы зимней каменной кладки и производства желе- зобетонных работ, строительство в зимние месяцы ве- дется почти так же успешно, как и в летние. Если рань- ше землекопы, каменщики, бетонщики, арматурщики, плотники с наступлением морозов прекращали работу и уезжали на зиму в деревню, то теперь они заняты на строительстве в течение всего года. Благодаря разработ- ке и внедрению, например, метода замораживания кпр- 13
Таблица 1 ВЫПОЛНЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ ПО КВАРТАЛАМ В ПРОЦЕНТАХ К ГОДОВОМУ ИТОГУ 1929 1935 | 1937 | 1951 1953 Кварталы года Союз- строй вснх Главстройпром нктп Строительство всех минис- терств Министерство строительства I 6 15,5 18,2 15 19 II 14,5 23,1 26,4 25 25 III 43 29,9 29,5 30 30 IV 36,5 31,5 25,9 30 26 Итого 100 100 100 100 | 100 пичной кладки, эти работы на морозе теперь произво- дятся только лишь с подогревом раствора, чтобы обеспе- чить его удобоукладываемость. Осваиваются методы производства штукатурных и отделочных работ при от- рицательных температурах. Ликвидации сезонности в строительстве способство- вали широко проводившиеся научно-исследовательские экспериментальные работы на ряде объектов. О постепенном переходе к круглогодичному ведению строительных работ можно судить по данным распреде- ления затрат на строительно-монтажные работы по квар- талам года, приведенным в табл. 1. Из таблицы [9, 33] видно, что даже на крупных про- мышленных стройках в 1929 г. выполнение годовой про- граммы в I квартале составляло только 6%. На мелких стройках в эти зимние месяцы строительные работы поч- ти прекращались. Максимальный процент выполненных работ в году падает на III квартал, а к самому концу года темпы выполнения работ обычно снова начинают снижаться. Во второй пятилетке объем выполненных ра- бот по кварталам года распределяется более равномер- но. Если объем работ, выполненных в III квартале 1929 г., в 7 раз больше, чем в I квартале этого года, то уже в 1935 г. объем работ в III квартале только в 2 раза больше объема работ в I квартале. Более равномерное распределение объема работ по месяцам и кварталам года способствовало уменьшению текучести рабочих кадров. Во второй пятилетке умень- шение числа рабочих в зимние месяцы составляло уже не более 20% максимального числа рабочих, занятых 14
в июне-июле. В послевоенный период (за 1951 —1953 гг.), как это видно из той же таблицы, распределение строи- тельно-монтажных работ в году стабилизировалось. Но, несмотря на это, из-за ухода рабочих зимой с малых строек и меньшей обеспеченности этих строек техникой в целом по Советскому Союзу капиталовложения в I квартале составляли все же только половину вложе- ний за III квартал. На крупных стройках эти колебания были значительно меньше. За 1953 г. в I квартале объем капиталовложений по Министерству строительства сни- жался против III квартала в 1,6 раза, на стройках Мини- стерства нефтяной промышленности — в 1,5 раза. При полном внедрении новейших достижений науки и строительной техники, особенно при широком приме- нении крупных блоков и сборных конструкций, затраты на строителыю-моптажные работы с каждым годом рас- пределяются ио кварталам и месяцам года равномернее. В качестве примера в табл. 2 приведены данные об ин- тенсивности укладки бетона по кварталам за 1952— 1954 гг. на строительстве Камского гидроузла [47]. Как видно из таблицы, при строительстве в достаточ- но суровых климатических условиях объем бетонных ра- бот по кварталам года распределялся в зависимости от общего плана работ. В I квартале 1954 г. потребовалось уложить бетона больше, чем во II и III кварталах, и ра- боты были выполнены независимо от холодного периода года. Современные методы производства строительных ра- бот в зимних условиях сложились в результате длитель- ного отбора и совершенствования многочисленных пред- ложений. В этом направлении па протяжении 45 лет в ГИС, цнипс, ниижб, цнииомтп, цнииск, ЦНИИС, ВНИИГ, Красноярском Промстройниипроекте, ЮжНИИ, НИИМосстрое, ЦНИЛЭПС, ДорНИИ, ВНИИСтройнефти и в ряде других организаций прово- дилась большая творческая работа. Значительную роль сыграли лаборатории таких строек, как Магнитострой, Краммашстрой, треста «Строитель», Тагилстрой, кана- ла Москва — Волга, Волгодонстрой, Днепрострой и Куй- бышевгидрострой, Ленгорстрой и др. В 1930 г. инж. А. М. Гинзбургом был предложен спо- соб замораживания бетона немедленно после укладки и послойного уплотнения его в опалубке (т. е. заморажи- вания до начала схватывания цемента). Однако опыт 15
Таблица 2 оэ КРУГЛОГОДИЧНАЯ УКЛАДКА БЕТОНА Сооружения Количество уложенного бетона по кварталам, тыс. м3 1952 г. 1953 г. 1954 г. IV Всего IV Всего IV Всего Гидроэлект- ростанция 30 46 62 48 186 42 49 66 28 186 33 24 33 39 129 Шлюз и по- ‘крытия земля- ных плотин 12 29 21 73 30 48 50 28 156 40 15 16 14 85 Всего 5о гидроузлу 42 57 91 69 259 72 97 116 56 341 73 39 49 53 213
постройки железобетонного моста зимой 1931/32 г. и ре- зультаты проведенных в ГИС испытаний показали, что это предложение было ошибочным. Преждевременное применение его на ряде строек привело к серьезным де- фектам и даже авариям. Раннее замораживание бетона требовало выдержи- вания конструкций в опалубке до наступления весны и далее в теплых условиях не менее 28 дней. Это наруша- ло структуру бетона и сцепление его с арматурой, что вело к недопустимому снижению прочности против нор- мальной. Поэтому современные Строительные нормы и правила, а также Технические условия на зимние рабо- ты не разрешают преждевременного замораживания бе- тона [33, 55, 67]. Раннее замораживание особенно вред- но в сооружениях, работающих под действием напорной воды и подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию в насыщенном водой состоянии. В 1931 г. вместо способа замораживания проф. И. А. Киреенко предложил применявшийся им еще в 1910 г. способ предохранения бетона от замерзания лишь на период схватывания и начального твердения, определенный им в 36 ч [23]. Этот способ хотя и являл- ся шагом вперед, по по устранял основных недостатков преждевременного замораживания бетона. Опыт ряда строек, а также исследования, проведен- ные в ЦНИПС и ЦНИИС, привели к разработке научно обоснованного способа «термоса», т. с. способа укладки бетона на морозе с утеплением его в конструкциях па необходимый срок, определяемый по данным теплотех- нических расчетов остывания бетона и интенсивности его твердения. В 1933—1934 гг. проф. Б. Г Скрамтаевым и проф. В. С. Лукьяновым были разработаны способы расчета охлаждения бетрпа в каркасных и массивных конструкциях [30, 72]. Многие исследователи и практики переоценивали роль тепловыделения при твердении цемента и высказы- вались за широкое применение способа бетонирования на морозе без искусственного обогревания достаточно легких конструкций и без введения химических добавок, ускоряющих твердение бетона и снижающих точку его замерзания. В 1939 г. некоторые строители утверждали, что при малом значении водоцементного отношения бе- тон и раствор твердеют на морозе так же, как и в лет- них условиях. Экспериментальной проверкой в лабора- .2—23 17
тории бетонов и вяжущих ЦНИПС было установлено, что эти неправильные утверждения возникли вследствие методических ошибок, допущенных исследователями при испытании образцов в замороженном состоянии. Многие предложения, высказывавшиеся в свое время в печати и на различных конференциях, подвергались экспериментальной проверке и критическому рассмот- рению. На протяжении почти 45 лет в одном только ЦНИПС и НИИЖБ проработано более 75 научно-иссле- довательских тем, посвященных вопросам зимних работ. При этом было изготовлено и подвергнуто различным режимам прогрева и замораживания более-150 000 опыт- ных образцов бетона, раствора и каменной кладки. В результате работ, проведенных научно-исследова- тельскими институтами и лабораториями строек, а так- же богатейшего опыта строительства теперь твердо оп- ределены наиболее рациональные методы производства работ в зимнее время. В области производства бетонных и железобетонных работ к числу таких методов должны быть отнесены в первую очередь использование сборных железобетон- ных изделий и конструкций, электротермообработка, па- ропрогрев, термос, использование теплоты грунта, при- менение химических, и в частности противоморозных, до- бавок и только в отдельных случаях устройство легких секционных и местных тепляков. Все эти методы отра- жены в нормах и технических условиях, а также в про- изводственных инструкциях, которые периодически пере- рабатываются, с расширением области применения и отражением результатов исследований, а также богато- го опыта строительных организаций [51, 66, 68]. Разработанные в годы первых пятилеток методы ве- дения строительных работ в зимних условиях сыграли огромную роль в годы Великой Отечественной войны, особенно когда потребовалось возводить срочно здания для немедленного использования оборудования перебра- сываемых на восток предприятий. В условиях длитель- ных суровых уральских и сибирских морозов зимой 1941/42 и 1942/43 гг. строители успешно выполняли зада- ния партии и правительства, применяя передовые методы зимнего бетонирования и каменной кладки на морозе. В зимние месяцы начиналось и заканчивалось строи- тельство зданий не только отдельных цехов, но и целых заводов. На стройках, имевших наиболее важное оборон- 18
ное значение, для оказания технической помощи работа- ли научные работники, которые ранее занимались иссле- дованиями и разработкой технических условий и инст- рукций по производству строительных работ в зимних условиях. В результате опыта строительства военных лет разра- ботаны такие новые методы, как периферийный электро- прогрев, электропрогрев подливки раствора под обору- дование, бетонирование на мерзлом основании, замедле- ние сроков схватывания безгипсовых цементов, ускорение твердения строительных растворов путем введения раз- личных добавок, пропаривание в «капиллярной» опалуб- ке, электропрогрев кирпичной и бутовой кладки. Даль- нейшее развитие получили работы по установлению оптимального температурного режима для твердения бетона. Разработаны и в ряде случаев применяются способы обогрева бетонных и железобетонных конструк- ций различного вида теплоносителями. Накопленный опыт позволил строителям необыкновенно быстрыми темпами в послевоенный период восстанавливать разру- шенные и возводить новые здания и сооружения в зим- нее время. Крупный вклад в развитие методов зимнего бетони- рования в Советском Союзе сделан строителями, а также работниками промышленности строительных материалов в послевоенные пятилетки. Внедрение быстротвердеющих цементов, а также бе- тона с большими добавками солей, обеспечивающих при- менение его при отрицательных температурах, переход на индустриальные методы строительства и связанное с этим широкое использование сборных железобетонных конструкций, значительно изменили технику производ- ства железобетонных работ на строительных площадках в зимних условиях. Переход на массовое применение сборного железобетона в соответствии с решением Цент- рального Комитета КПСС и Совета Министров СССР от 19 августа 1954 г. в значительной степени превратил строительную площадку в место монтажа готовых изде- лий и конструкций заводского производства. Зимняя специфика ведения работ при этом сохраняется лишь частично при омоноличивании стыков сборных железо- бетонных конструкций. Внедрение в производство быст- ротвердеющих бетонов позволяет также сократить сроки термосного выдерживания и тепловой обработки конст- 2* 19
рукций при отрицательных температурах наружного воз- духа. Широкое развитие производства и применения сбор- ных железобетонных конструкций и деталей приводит к повышению качества, ускорению темпов и повышению экономической эффективности строительства. При этом благодаря успешному выполнению работ в любое время Рис. 3. Монтаж конструкций многоэтажного дома из сборных эле- ментов в Москве на проспекте маршала Жукова года и в любых климатических условиях резко сокраща- ются сроки ввода сооружений в эксплуатацию. Развитию масштабов и темпов строительства способствует бурный рост производства в стране цемента и сборного железо- бетона. К 1973 г. выпуск цемента достиг 109,5 млн. т. а сборного железобетона 102 млн. м3. При таком разви- тии применения сборных железобетонных конструкций коренным образом изменяются и методы возведения зда- ний и сооружений как в летних, так и в зимних условиях. Ценный опыт накоплен в области зимнего бетониро- вания, каменной кладки и облицовочных работ на строи- тельстве высотных зданий, осуществлявшемся в период 1949—1955 гг., и современных многоэтажных крупнопа- нельных, монолитных и каркасных с различного вида ограждающими панелями. 20
Большим достижением является разработка нового метода зимнего бетонирования, основанного на примене- нии противоморозиых добавок. На рис. 3 и 4 представлены современные методы и техника производства бетонных и железобетонных работ при отрицательных температурах. Все работы на морозе в этих случаях производятся почти так же, как и в обыч- Рис. 4. Железобетонные конструкции промышленного здания, постро- енного в Воронеже зимой 1953/54 г Добавление солей позволило применять материалы без подогрев; и обойтись без обогрева бетона конструкций на морозе ных летних условиях. Материалы, составляющие бетон, в последнем случае могут применяться без подогрева, а конструкции после укладки бетона нс прогреваются. Для защиты от непосредственного воздействия мороза, ветра и атмосферных осадков достаточно прибегать к укрытию открытых поверхностей бетоиа [29, 37]. Постепенно уменьшается разница в технике выполнения работ в зим- них и летних условиях, которая была еще несколько лет 21
назад. Применявшиеся же ранее объемные тепляки ушли в историю. Значительную роль в развитии методов зимнего бето- нирования, и в частности электротермообработки, сыграл предложенный в 1962 г. А. С. Арбеньевым [1] метод предварительного электроразогрева бетонной смеси пе- ред укладкой в опалубку. Этот метод, разработанный в Новокузнецком отделении УралНИИСтромпроекта и НИИЖБ, получил широкое применение на зимних строй- ках различных министерств и ведомств. Во многих слу- чаях в комбинации с методом термоса и с введением хи- мических добавок электроразогрев бетойной смеси у места укладки до температуры 60—80° С полностью обес- печивает благоприятный режим для набора бетоном прочности, необходимой для распалубки конструкций на морозе. С применением этого метода в зимнее время по Союзу в целом укладывается ежегодно по 700—800 тыс. м3 бетона. На рис. 5 показан железобетонный мост, постро- енный в зимние месяцы (до наступления паводка) тре- стом Печоршахтострой в районе Воркуты. Бетонная смесь, доставленная с бетонного завода, разогревалась в бункерах перед укладкой в опалубку. В большие мо- розы, особенно при большом модуле поверхности, конструкции утеплялись, чтобы обеспечить необходи- мую продолжительность выдерживания их до замер- зания. С каждым годом расширяется и обогащается новым опытом строительство в суровых климатических услови- ях Крайнего Севера и районах распространения вечно- мерзлых грунтов. Наибольших успехов достигли строи- тели при возведении объектов в Воркуте, Норильске и Якутске. Благодаря переходу на устройство свайных оснований (вместо применявшихся ранее ленточных фундаментов) теперь в этих районах на вечномерзлых грунтах возводят многоэтажные здания различного на- значения. При этом вместо прогрева бетона, укладывае- мого в фундаменты и сваи, погружаемые в вечномерзлый грунт, в ряде случаев используется предложение автора об учете набора прочности бетона при отрицательных температурах, близких к нулю. Учитывая, что темпера- тура вечномерзлых грунтов обычно колеблется от —0,5 до —5° С, для твердения бетона достаточно применять хи- мические добавки в небольшом количестве. На рис. 6 приведен общий вид семиэтажной гостиницы «Лена», 22
Рис. 5. Мост из монолитного железобетона, построенный зимой 1971/72 г. через р. Ляч-Ячу в Воркуте. Бетонная смесь предваритель- но разогревалась у места ее укладки в утепленную опалубку, с час- тичным устройством местных тепляков во время сильных ветров Рис. 6. Здание гостиницы «Лена», построенное в 1972/73 г. в Якутске на вечномерзлом грунте. При возведении роствер- ка на свайном основании и несущих конструкций применялся электропро- грев бетона 23
возведенной в Якутске. Гостиница построена на свайном основании. Работы по строительству здания гостиницы велись в течение круглого года. Температура наружного воздуха в зимние месяцы падала до —50° С. Объем капиталовложений с каждым годом и пятиле- тием возрастает. Если учесть, что из всех средств, пред- назначенных на капитальное строительство, около 60% расходуется на строительно-монтажные работы, то ста- нет понятно, почему такое большое внимание уделяется вопросу ликвидации сезонности в строительстве, внедре- нию передовой техники и развитию строительной инду- стрии. На современном уровне развития техники бетонные, железобетонные и каменные конструкции являются ос- новными при возведении капитальных зданий и соору- жений. Большой расход металла другими отраслями на- родного хозяйства и ограничение возможности исполь- зования лесоматериалов сделали бетон, железобетон и каменные материалы не только ведущими материалами ь строительстве истекших лет, но и закрепили за ними прочное место на ближайшие годы. Применению бетона и железобетона принадлежит большое будущее на мно- гие десятилетия. В настоящее время объем бетонных и железобетон- ных конструкций, производимых ежегодно, измеряется десятками миллионов кубических метров. Теперь уже более 70% несущих конструкций в строительстве выпол- няется из железобетона. Около 60% жилых зданий в го- родах возводится с применением железобетонных пане- лей и бетонов разных видов, в особенности легких. В качестве стенового материала, т. е. для ограждающих конструкций зданий различного назначения, примерно 50% приходится на керамзитобетон. В 1970 г. в Совет- ском Союзе монолитного бетона и железобетона было уложено 96 млн. м3, и с каждым годом объемы их уклад- ки увеличиваются. При этом 30—40% монолитного бето- на и железобетона укладывается в зимних условиях, т. е. при отрицательных температурах, когда приходится при- бегать к специальным методам производства работ. То же самое можно сказать о конструкциях и кладках из естественных и искусственных каменных материалов. Эти материалы и конструкции применяются также в больших масштабах в нашем капитальном строительстве и вместе с железобетоном являются основными в строи-
тельстве городов, а также промышленных и иных капи- тальных сооружений. В последние годы они стали нахо- дить широкое применение в сельском и дорожном строи- тельстве. Особенно велик объем бетонных работ на гидротех- нических стройках. Например, на Днепрострое было уло- жено 1180 тыс. м3 бетона, на канале имени Москвы (Москва — Волга) — 2957 тыс. м3, на Волгострое — 2290 тыс. м3, на Волгодонстрое — 2960 тыс. м3. Еще более крупные объемы бетонных и железобетон- ных работ осуществляются на Волжских и Сибирских гидротехнических стройках. Сотнями тысяч кубометров исчисляется количество уложенного бетона на таких крупных промышленных стройках, как Магнитострой, Кузнецкстрой, Череповецметаллургстрой, Тагилстрой, Запорожстрой, КамАЗ, Печоршахтострой, Норильский комбинат и др. Сезонный характер строительства болезненно отзы- вается как на самом строительстве, так и на народном хозяйстве в целом. Сезонность вызывает текучесть рабочих кадров, простои в работе машин и механизмов, создает большие трудности в связи с колебаниями в потребности материалов и в транспортировании их, задерживает ввод необходимых сооружений в экс- плуатацию. Поэтому борьбе с сезонностью уделяется внимание во всех странах. В США еще в 20-х годах был создан специальный комитет, который долго работал над выявлением потерь в различных отраслях промышлен- ности. Особенно большое внимание при этом было уде- лено ликвидации сезонности в строительстве, так как, по выводам комитета, «ослабление строительного темпа вызывает понижение деятельности и в других отраслях производства». В условиях плановой социалистической системы в на- родном хозяйстве для максимального развития произ- водительных сил страны необходима непрерывность про- изводства во всех отраслях, в том числе и в строитель- стве. Разработанные в Советском Союзе методы производства бетонных, железобетонных и каменных ра- бот в зимних условиях способствовали превращению строительства из кустарной и сезонной отрасли народно- го хозяйства в действующую круглый год индустрию с постоянными кадрами квалифицированных рабочих. Помимо огромного народнохозяйственного эффекта 25
от ликвидации сезонности в строительстве, каждая строительная организация получает конкретную эконо- мию в результате выполнения заданного плана строи- тельства с меньшим числом постоянных рабочих, лучше- го использования машин и оборудования, сокращения сроков строительства, а также вследствие уменьшения накладных расходов. Народное хозяйство в целом и от- дельные предприятия получают при этом большие выго- ды благодаря более быстрому вводу в эксплуатацию зданий и сооружений. Ввод в действие новых крупных промышленных предприятий, например в годы первых пятилеток, характеризовался следующими ’данными: за 1928—1932 гг.—1500 единиц, за 1933—1937 гг.—4500 единиц. Применение таких методов производства работ, как термос, электропрогрев и пропаривание, взамен объем- ных тепляков в целом по Советскому Союзу дает эконо- мию сотен миллионов рублей. Еще больший эффект достигается при широком применении зимой сборных железобетонных конструкций и крупных блоков, а также при использовании предварительно разогретых бетонных смесей и бетонов, твердеющих на морозе. Увеличение стоимости производства работ в зимнее время может быть значительно снижено правильным вы- бором методов работ. Наименьшее удорожание работ получается при сборке железобетонных конструкций за- водского изготовления, при возведении массивных кон- струкций (гидротехнических сооружений, фундаментов домен и тяжелого оборудования и т. п.), а также при укладке бетона, твердеющего при отрицательных темпе- ратурах. При использовании зимой сборных железобе- тонных конструкций удорожание их монтажа сравни- тельно невелико. Как показывает опыт, при возведении зимой массив- ных монолитных бетонных и железобетонных наземных и подземных конструкций с модулем поверхности менее 5 выгодно применять метод термоса. Наземные конструк- ции с модулем поверхности более 5, как правило, выгод- но возводить с применением различных способов элек- тротермообработки. Последняя является наиболее гибким в производстве методом и не связана с дорого- стоящим стационарным оборудованием. Над вопросами теории и практики зимнего бетониро- вания работают во многих зарубежных странах. В Евро- 26
пе — в таких странах, как Англия, Бельгия, Дания, ГДР, ФРГ, Норвегия, Польша, Франция, Финляндия, Чехосло- вакия, Швеция, в Америке — Канада и США, в Азии — Монголия, Китай и Япония, где производство строитель- ных работ в зимних условиях имеет большое эконо- мическое значение. В других странах в силу иных климатических условий вопросы теории и практики зим- него бетонирования представляют меньший интерес для строителей или совсем их не интересуют. В ряде стран из-за короткого зимнего периода на 1—3 месяца объем работ резко сокращается. В таких странах, как Англия, Франция, Швейцария (за исключением горных районов) при отрицательных температурах, близких к нулю, при- меняются простейшие методы укладки бетона. Для подогрева воды и заполнителей, а также для обогрева бетона в конструкциях применяется пар и теп- лый воздух, реже — электроэнергия. При этом как в странах Америки, так и Европы большое распростране- ние еще находят различного вида легкие тепляки, обо- греваемые паром и теплым воздухом, однако, применяя быстротвердеющие цементы, ускорители твердения и легкие утеплители, часто обходятся без обогрева. Метод электропрогрева железобетонных конструк- ций, хорошо зарекомендовавший себя у нас, за границей еще не нашел значительного распространения из-за вы- сокой стоимости электроэнергии. Во Франции его приме- няют, как правило, в ночные часы, когда электроэнергия в пять раз дешевле, чем в дневное время. В довоенный период отмечались лишь единичные случае применения электропрогрева на зимних стройках некоторых стран. В послевоенный период этот метод стал сравнительно широко применяться на стройках в северной части Япо- нии, во Франции, США, Финляндии, Бельгии и даже в таких странах, как Италия, Португалия, Испания. Метод термоса, основанный на утеплении конструк- ций для сохранения тепла, вносимого в бетон за счет подогрева материалов, а также выделяемого при гидрата- ции цемента, применяется достаточно широко. По этому вопросу известны исследования и методы расчета охлаж- дения бетона на морозе, разработанные Я. Гронхольмом в Швеции [83]. В целях упрощения и удешевления производства ра- бот в зимнее время применяют быстротвердеющие це- менты и возводят здания и сооружения из сборных кон- 27
струкций. Большие достижения в этом отношении имеются в Англии, Франции, ГДР, ФРГ и Чехослова- кии. Из сборных железобетонных конструкций сооружа- ются промышленные и гражданские здания, ТЭЦ, мосты, эллинги и т. п. Применение этого метода в наибольшей степени отвечает требованиям индустриализации строи- тельства и обеспечивает высокое качество сооружений, возводимых при отрицательных температурах. Добавки — ускорители твердения бетонов применя- ются в большей части совместно с пластификаторами. Добавка хлористого кальция в количестве 2—3% массы цемента вместе с воздухововлекающими и-пластифици- рующими добавками, а также с применением быстро- твердеющих цементов и бетонных смесей с малым водо- цементным отношением в странах с мягким климатом представляет собой самостоятельный метод зимнего бетонирования. По вопросам производства строительных работ в зим- них условиях за рубежом издается обширная литерату- ра. Наряду с изданием отдельных трудов и статей в США, ГДР, ФРГ, Дании, Франции, Финляндии, Швеции по этим вопросам разработаны официальные производ- ственные инструкции и указания для строительства. Как видно из рекомендаций по зимнему бетонирова- нию, опубликованных в журнале Американского инсти- тута бетонов, и из отчета бельгийской комиссии, изучав- шей опыт зимнего бетонирования в Дании и Швеции, зарубежные методы производства бетонных работ на морозе мало чем отличаются от существующих в СССР Отличием наших методов производства работ является их разнообразие и применение более совершенных, хотя и более сложных (как, например, электропрогрев и обо- грев и др.) методов работ. В США, равно как и в таких странах Европы, как Бельгия, ГДР, ФРГ, Дания, Шве- ция, материалы подогревают острым паром, а при малых объемах работ — огневым способом, иногда в специаль- ных барабанах и бункерах. Крупные заполнители в евро- пейских, в том числе и Скандинавских странах, часто не подогревают. Уложенный в конструкции бетон чаще вы- держивают с термосным остыванием, применяя при этом как минеральные, так и простейшие теплоизоляционные органические материалы (соломит, сено, картон). При более низких температурах наружного воздуха и там, где это требуется по условиям производственного процесса, 28
применяют легкие брезентовые или фанерные тепляки. Обогрев тепляков производится паром и теплым возду- хом до температуры 20° С, а в некоторых случаях и до 30—40° С. В Финляндии тепляки и помещения изнутри возводимых многоэтажных монолитных, с наружным слоем из газобетонных блоков, зданий обогревают дро- вяными и коксовыми печами, а также усовершенство- ванными жаровнями, работающими на нефти. В феврале 1956 г. в Копенгагене состоялся первый Международный симпозиум по проблемам производства железобетонных работ в зимних условиях. Симпозиум был созван Международным объединением научно-ис- следовательских лабораторий по исследованию и испы- танию строительных материалов и конструкции (РИЛЕМ). В работе симпозиума участвовали делегации 18 стран: Англии, Австралии, Бельгии, Голландии, ГДР, ФРГ, Да- нии, Канады, Китая, СССР, США, Польши, Норвегии, Чехословакии, Швеции, Швейцарии, Франции и Финлян- дии. Наиболее активное участие принимали представите- ли Скандинавских стран. Председателем Оргкомитета являлся М. Плюм (Дания), который затем возглавлял Комитет по зимнему бетонированию. В подготовке и про- ведении симпозиума принимали активное участие такие крупнейшие ученые, как профессора: Г Вестлюнд, Я. Гронхольм, А. Никснен, П. Нерснст, Г Рюш, А. Ко- линз, И. Лис, Т. Пауэрс и др. Советская делегация сделала пять сообщений: о методах зимнего бетонирования, применяемых в Со- ветском Союзе (проф. С. А. Миронов); о принципе уни- фицированной классификации бетонов по заранее рас- считанной морозостойкости-(д-р техн, наук С. В. Шесто- перов); о влиянии воздухововлекающих добавок на повышение морозостойкости бетона (проф. В. В. Столь- ников); о бетонах, твердеющих на морозе (канд. техн, наук В. Н. Сизов); о производстве бетонных работ в зимних условиях с применением метода периферийного электропрогрева на строительстве Горьковской ГЭС (инж. К. В. Алексеев). Проф. Е. Свенсон (Канада) в докладе «Климатиче- ские условия и их влияние на зимние бетонные работы» сообщил интересные данные о зимнем бетонировании в Канаде. В докладе обращалось внимание на роль ветра, 29
как второго после температуры воздуха фактора, вызы- вающего остывание бетона, и было отмечено, что руко- водители строек всегда должны иметь точный прогноз погоды, а не полагаться на средние статистические тем- пературы. Проф. Я. Гронхольм (Швеция) остановился на основ- ных факторах, обеспечивающих требуемое качество бетона, загрузку конструкций, а также их своевремен- ную распалубку. Большое внимание он уделил правиль- ному определению прочности бетона и предотвращению деформаций при распалубке конструкций. Он отметил, что для этого необходимо определить степень снижения модуля упругости бетона при замораживании в молодом возрасте. Инженеры Д. Бюитинк и Д. Троув сообщили об орга- низации зимних работ в Голландии, где их стремятся производить самыми простыми и дешевыми способами. По существу, там добиваются получения быстротвердею- щих бетонов при помощи подогрева материалов, приме- нения специальных цементов, малого водоцементного отношения, добавки хлористого кальция и т. п., укрывая уложенный бетон теплоизоляционными материалами. При температурах от —5 до —10° С прибегают, как к крайней мере, к обогреву бетона паром в легких тепля- ках. В тех случаях, когда температура наружного возду- ха падает ниже —10° С, производство работ, как прави- ло, прекращается. X. Тренер (Норвегия) отметил, что в Норвегии темпе- ратуры ниже точки замерзания отмечаются на протяже- нии 6—7 месяцев в году. Поэтому для Норвегии произ- водство железобетонных работ в зимних условиях явля- ется важной экономической проблемой. Тем не менее в Норвегии повсеместно применяются самые простые средства защиты бетона от мороза (подогрев воды и заполнителей, обогрев опалубки и арматуры паром). О зимнем бетонировании в Финляндии доложили А. Никенен, Б. Келопуу и А. Юнтила. Из данных по об- следованию 25 строек А. Никененом видно, что в Фин- ляндии, так же как в Норвегии, Швеции и других стра- нах, материалы подогревают, как правило, паром. Све- жеуложенный бетон укрывают соломенными матами, картоном, плитами из древесных стружек, минеральным войлоком, брезентом и мешковиной. 30
В Дании и Швеции для обогрева тепляков применя- ют более простые печи типа усовершенствованных жа- ровен, отапливаемых нефтью. Е. Бахус (ФРГ) сообщил о способе работ, применяв- шемся в ноябре-декабре 1954 г. при постройке железобе- тонной телевизионной башни в Штутгарте. С наступле- нием морозов работы по возведению башни на уровне отметки от 65 до 135,7 м производились в подвижном брезентовом тепляке с воздушным обогревом. Металли- ческая опалубка утеплялась шлаковатой слоем 3 см. Температуру воздуха внутри тепляка поддерживали на уровне от 10 до 15° С. По мере сооружения башни тепляк ежедневно поднимался на 1,75 м. Бетонную смесь перед укладкой подогревали паром до 20° С. Применялся бе- тон марки 400 при расходе портландцемента 320 кг/м3. Этот же способ производства работ применялся в Мер- зебурге, где зимой была построена дымовая труба высо- той 80 м. Из Японии были присланы доклады Яцуо Ичики и Кацуо Харимацу. Из докладов видно, что, начиная с 1946 г., в Северной Японии стали изучать и применять советский опыт электропрогрева железобетонных конст- рукций [83]. Проф. Т. Пауэрс (США) выступил с докладом о при- менении воздухововлекающих добавок для повышения морозостойкости бетона, о механизме разрушения бето- на при замораживании. Докладчик подробно изложил теорию гидравлического давления, возникающего в за- мерзающем бетоне. Он придает большее значение орга- низованной структуре ячеек вовлеченного воздуха, чем его_ количеству. ~Как выяснилось из выступлений делегатов, воздухо- вовлекающие добавки к бетонам широко применяются во многих странах при строительстве дорог, аэродромов и гидроэлектростанций. Экспериментальные исследова- ния и наблюдения за опытными объектами подтвердили, что воздухововлекающие добавки повышают степень мо- розостойкости бетона и увеличивают долговечность бе- тонных и железобетонных сооружений. Проф. А. Коллинз (Англия) выступил с докладом по морозостойкости бетона, в котором рассмотрел механизм замерзания и разрушения бетона при переходе воды из жидкого в твердое состояние. Проф. И. Лис (Норвегия) сообщил об установлении 31
зависимости прочности бетона одинакового состава при температурах от 4,5 до 46° С. Выяснению этой важной для практических целей за- висимости были посвящены работы многих исследова- телей. На эту же тему сделали сообщения проф. Г. Вест- люнд (Швеция), П. Неренст и Е. Раструп (Дания). Док- ладчики из Швеции отмечали, что в южной части их страны, где идет большое строительство, температура переходит через 0° шестьдесят раз в течение года. Макси- мальный общий перепад температуры при этом не пре- вышает 15° Поэтому при испытании на морозостойкость они нашли необходимым замораживание бетонных об- разцов производить при температуре —10° С. В случае испытаний на единичное замораживание рекомендуется применять температуру —40° С, которую можно наблю- дать в самых северных точках Швеции. Интересный доклад о получении высококачественно- го бетона в зимних условиях был сделан проф. А. Вел- лми (Швейцария). Говоря о возможности повторных за- мораживаний, он считает, что бетон к этому времени должен иметь прочность не менее 15 МПа, а коэффици- ент насыщения должен снижаться до 0,9. Проф. Ю. Гжимек (Польша) сообщил о результатах своих исследований и производстве быстротвердеющего портландцемента на основе получения мелкокристалли- ческого алита. Величина кристаллов алита, получаемого методом метастабильной кристаллизации силикатов, равна в среднем 15 мк. После первого Международного симпозиума РИЛЕМ по зимнему бетонированию в 1957 г был создан из пред- ставителей заинтересованных стран специальный коми- тет. Наиболее представительно и активно в составе Ко- митета и Подкомитетов участвовали Скандинавские страны (Дания, Швеция, Финляндия), Голландия, СССР, США, Польша, Франция, ФРГ Комитетом по зимнему бетонированию РИЛЕМ были разработаны и опубликованы в ряде стран, в том числе и в СССР, Международные рекомендации по зимнему бетонированию, рекомендации по прогнозам погоды, ре- комендации по производству работ. На заседаниях Ко- митета и Подкомитетов заслушивались доклады по воп- росам зимнего бетонирования и результатам исследо- ваний, осуществляемых в разных странах. Комитетом разработаны требования к цементам для зимних бетонов 32
с классификацией их по тепловыделению. При этом наш- ли отражение и рекомендации автора по минералогии, тонкости помола цемента и добавок к нему. В результате деятельности Комитета установлен си- стематический обмен литературой и информацией по результатам исследовательских работ, что позволяет из- бежать лишних экспериментальных работ. В результате обмена опытом члены Комитета в раз- ных странах через своих предс вителей усилили иссле- довательскую работу по электропрогреву бетона, мето- дам заделки стыков сборных железобетонных конструк- ций на морозе, введению химических добавок для зимних бетонов и влиянию замораживания бетона с раз- ной прочностью па его свойства. После проведения в Дании в 1956 г первого Между- народного симпозиума по зимнему бетонированию про- шло почти 20 лет. За этот период актуальность данной проблемы еще больше повысилась. Проведены углублен- ные исследования по изучению процессов твердения бе- тона с использованием современных методов и измери- тельной техники. Во всех заинтересованных странах накоплен опыт возведения многоэтажных зданий и уни- кальных сооружений при отрицательных температурах. Созываемый в 1975 г. в Советском Союзе второй Международный симпозиум по зимнему бетонированию позволит обменяться информацией по наиболее важным проблемам и направлениям дальнейших исследований в области теории и методов зимнего бетонирования. В результате ознакомления с главнейшими достижения- ми науки в этой области определятся пути использова- ния имеющихся результатов с целью разработки новых и усовершенствования существующих методов бетони- рования монолитных конструкций, монтажа сборных из- делий, а также возведения сооружений из сборно- монолитного железобетона при отрицательных темпе- ратурах. Это будет второй международный форум, проводи- мый в Советском Союзе по технологии бетона и методам производства бетонных работ. Первый, который состоял- ся в 1964 г., был посвящен проблемам ускорения тверде- ния бетона при изготовлении сборного железобетона. На предстоящем симпозиуме будут рассмотрены пробле- мы технологии бетона и методы производства бетонных работ при возведении монолитных конструкций. 3—23 33
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ, КРИОЛОГИЯ БЕТОНА ГЛАВА 1 ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВОДЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Бетон, являющийся искусственным каменным мате- риалом, состоит из смеси гравия или щебня с песком, связанных между собой цементным камнем. Активной составляющей бетона является цементный камень, ко- торый играет основную роль в образовании его структу- ры и прочности, а также морозостойкости и водонепро- ницаемости. На процессы твердения и физико-механические свой- ства цементного камня оказывают влияние следующие основные факторы: качество, в том числе и минерало- гический состав применяемого цемента; соотношение между цементом и водой, т. е. ЩВ (часто пользуются обратной величиной ВЩ) \ вводимые добавки; плотность укладки (формирование структуры при изготовлении изделий и конструкций); тепловлажностный режим вы- держивания. Для успешного прохождения процессов схватывания и твердения цементов требуется благоприятная темпе- ратура, постоянное наличие соответствующей влажност- ной среды и время, а в отдельных случаях должны быть созданы специальные режимы твердения, необходимые для достижения заданной прочности в короткие сроки. В современной технологии бетона сроки схватывания и твердения цементов рассматриваются в связи с их ми- нералогическим составом, тонкостью помола, температур- ным фактором и вводимыми добавками. Это дает воз- можность более глубоко вскрывать физико-химическую природу явлений, происходящих в твердеющих раство- рах и бетонах. Многочисленные исследования, подтвержденные опы- том строительства, позволили установить зависимости 34
и накопить данные, дающие возможность управлять процессами схватывания и твердения растворов и бето- нов. Если все это имеет большое значение для бетонных работ в летних условиях, то при зимнем бетонировании знание теории гидратации цемента и твердения бетонов является основой и залогом успеха выполнения работ. Поэтому прежде чем приступить к рассмотрению мето- дов зимнего бетонирования, необходимо остановиться на вопросах теории и технологии, на физике и физико- химии цементов и бетонов. Так как вода является непременной частью активной составляющей бетона, т. с. цементного камня, вначале рассмотрим те изменения, которые могут происходить с ней при различных температурах. Применительно к зимнему бетонированию особый интерес представляют фазовые превращения воды при замерзании цементного камня и бетона. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ СВЯЗЕЙ ВОДЫ Вода в природе находится в трех агрегатных состоя- ниях: твердом, жидком и газообразном. При нормаль- ном атмосферном давлении вода имеет температуру ки- пения 100° С, а температуру плавления льда 0°С. Удель- ная теплота плавления льда составляет 333,6 Дж приО0 Следовательно, такое количество тепла при замерзании 1 кг воды выделяется, а при оттаивании льда поглоща- ется. Наибольшая плотность воды при 4° С принята за единицу. Вода гигроскопическая, т. е. адсорбированная на поверхности твердого или жидкого тела, легко уда- ляется при нагревании. Вода кристаллизационная в виде молекул Н2О входит в состав кристаллогидратов. На- пример, при гидратации .минералов цементного клинке- ра на 1 молекулу силикатных окислов приходится одна или несколько молекул воды кристаллизационной. Пере- ход воды из одной фазы в другую происходит скачкооб- разно с изменением ее внутреннего строения и всех свя- занных с этим физических свойств и характеристик. Все фазовые переходы воды (кристаллизация, плав- ление, конденсация, кипение и испарение) связаны с вы- делением или поглощением тепла. Эти свойства воды, как составной части бетона, необходимо знать и исполь- зовать их как при изготовлении бетона при выдержива- нии его в различных температурных условиях, так 3: 35
и при эксплуатации конструкций. Особый интерес это представляет при зимнем бетонировании, когда требует- ся принимать специальные меры для создания благо- приятных условий при твердении бетона. От фазового состояния воды, содержащейся в бетоне, во многом зависят его свойства (твердение, прочность, стойкость в разных средах). При расчетах охлаждения бетона на морозе следует учитывать в балансе тепла конструкции теплоту плавления и кристаллизации льда. Содержащуюся в твердеющем цементном тесте воду различные исследователи классифицируют по-разному. Т. Пауэрс [49, 84] в затвердевшем тесте- разделяет воду на химически связанную; физически адсорбиро- ванную на поверхности геля; находящуюся вне действия радиуса поверхностных сил. Однако он считает, что очень трудно устанавливать, какое количество воды в ка- ком состоянии находится. При химических анализах не- возможно точно отделить один вид продуктов гидрата- ции от другого. А. В. Лыков воду, находящуюся в цементном камне, в зависимости от степени энергии связи подразделяет на физико-механически, физико-химически и химически свя- занную. К физико-механически связанной воде относится сво- бодная вода в ячейках кристаллизационной структуры геля и вода в микро- и макрокапиллярах цементного кам- ня. Эта вода удерживается механически и сохраняет свои обычные свойства. Ее обычно называют капилляр- ной, или гигроскопической. Она удаляется при нагрева- нии цементного камня до температуры 105° С. Количест- во механически связанной воды зависит от влажности и температуры среды. Физико-механически связанная вода, расположенная в микрокапиллярах цементного камня, влияет на его прочность и деформативность. Вода мономолекулярного слоя связана адсорбционно и отли- чается по своим свойствам от рыхлосвязанной. Физико-химически связанная вода находится в гид- ратных оболочках. Она появляется в результате раство- рения и гидратации минералов цементного клинкера, частицы которых адсорбируют на себя влагу. Связь это- го состояния воды осуществляется за счет молекулярно- го силового поля. Вода в адсорбционных слоях изменяет свои свойства. При различных температурах, особенно при замерзании цементного камня и бетона, она может 36
изменять свое фазовое состояние несколько иначе, чем вода физико-механически связанная. При нагревании в отличие от химически связанной она постепенно сво- бодно удаляется. В затвердевшем цементном камне ее содержится примерно столько же, сколько и химически связанной. Она может быть удалена из кристаллической решетки без разрушения кристаллов и затем снова по- глощена во влажной среде. В свежеуложенном бетоне объем введенной воды условно можно считать равным объему пор и капилля- ров, содержащихся в смеси различного вида. Кроме во- ды, содержащейся в капиллярах и в частично возника- ющих новообразованиях, часть воды отделяется на по- верхности конструкций при уплотнении бетонной смеси и распределяется в макропорах, а также в макроканалах седиментационного происхождения. Последнее получает- ся в результате подъема воды вверх в процессе погруже- ния твердых составляющих. Размеры пор, каналов и капилляров, в которых со- держится вода, в значительной мере зависят от густоты цементного теста (В/Д), общего содержания воды в бе- тоне, а также от степени уплотнения, т. е. от сближения контактов между твердыми составляющими. Каналы седиментационного происхождения и макрокапилляры измеряются в микронах и даже в миллиметрах. Микро- капилляры имеют переменное сечение и измеряются в долях микрона, а поры геля — в ангстремах. С течением времени объем капиллярных пор умень- шается, а гелевых, в том числе контракционных, увели- чивается. В процессе гидратации цемента непрерывно происходит изменение структуры цементного камня и бе- тона в сторону повышения его плотности. В процессе замерзания вода, замерзая, не сразу переходит в твердое состояние, а частично остается в жидком состоянии в виде тонких пленок на внутрен- них поверхностях капилляров и в гелях даже при весь- ма низких отрицательных температурах. По мере понижения температуры количество воды в жидкой фазе уменьшается и при температуре ниже —10° С ее остается очень мало. В свежеуложенном бето- не при температуре ниже —10° С практически вся вода переходит в твердое состояние — лед. Это положение хо- рошо согласуется с получаемыми результатами при .исследовании гидратации и тепловыделения цементов, 37
Таблица СОДЕРЖАНИЕ ЛЬДА В ТЯЖЕЛОМ БЕТОНЕ, ЗАМОРОЖЕННОМ В РАЗЛИЧНОМ ВОЗРАСТЕ Температура, °C Льдистость бетона, % замороженного сразу после укладки замороженного при прочности, % от R2« 15 | 50 | 70 | 100 —3 91 43 20 14 10 —5 92 58 27 22 18 — 10 92 66 42 38 33 — 15 93 73 58 44 41 —20 94 74 63 49 43 —30 96 78 65 54 49 —45 97 87 68 57 52 а также набора прочности цементным камнем и бетоном при отрицательных температурах. По данным проф. Т. Пауэрса (при определении дила- тометрическим методом), при t=—0,5°С в цементной пасте образуется льда 21%, при t = —4°С замерзает уже 60%, а при —10°С количество льда увеличивается до 75%. Значительная часть воды в жидкой фазе сохраня- ется до —40° С и даже до —65° С, когда она замерзает в гелях и контракционных порах. В лаборатории методов ускорения твердения бетона НИИЖБ при разработке кандидатских диссертаций Э. X. Булгаковым, О. С. Ивановой и Л. А. Беловой [3, 8, 19] были проведены подробные исследования льдисто- сти (процентное отношение количества льда к весу хи- мически несвязанной воды) в цементных пастах, раство- рах и бетонах калориметрическим методом. В своих исследованиях О. С. Иванова замораживала опытные образцы бетона при достижении ими 15, 30, 70 и 100% от 28-суточной прочности нормального тверде- ния, в интервале температур от —1 до —45° С. Данные об уменьшении количества льда с увеличени- ем возраста бетона на плотных заполнителях приведены в табл. 1.1. В качестве крупного заполнителя применял- ся гранитный щебень. Цемент применялся портландский марки 400. Изучение льдистости проводилось у образ- цов сразу после изготовления, а затем начиная с суточ- ного возраста, т. е. когда структура сформировалась и началась интенсивная гидратация цемента. 38
Как видно из данных табл. 1.1, на процессы льдооб- разования большое влияние оказывает время предвари- тельного выдерживания бетона до замораживания, т. е. степень гидратации в нем цемента. У образцов бетона, замороженного сразу после при- готовления, когда геля содержится еще очень мало и почти вся вода находится в порах межзернового прост- ранства или в капиллярных порах между частицами ге- ля, т. е. в макропорах в свободном состоянии, и лишь незначительная ее часть прочно удерживается адсорбци- онными силами, большая часть воды (91%) переходит в лед уже при температуре —3°С. Увеличение степени гидратации цемента после 24-ча- сового твердения бетона в нормальных условиях влечет за собой изменение его пористости. Макропоры перехо- дят в микропоры; часть капиллярных пор замещается контракционнымп и гелевыми, в которых переход воды в лед происходит уже при более низких отрицательных температурах. Увеличивается и удельная поверхность цемента. Все это ведет к уменьшению количества сво- бодной, способной замерзнуть воды, в связи с чем зна- чительно уменьшается льдистость бетона, замороженно- го через 24 ч после приготовления. Во всех трех упомянутых работах обращается особое внимание на интервал температур от 0 до —2° С. Как показали исследования, при этих температурах вода длительное время может находиться в незамерзшем пе- реохлажденном состоянии, а количество льда, образо- вавшегося при температуре —1°С, в проведенных опы- тах не превышало 20%. Этим можно объяснить тверде- ние бетона при небольших отрицательных температурах и значительный набор ими прочности, иногда достигаю- щий 70% от ^28- Наличие воды в жидкой фазе может способствовать гидратации цемента, но в то же время может быть и причиной разрушения бетона при переходе ее в лед. Из полученных с помощью изотермического калори- метра данных видно, что основная масса льда в бетоне образуется при понижении температуры до —5... —10° С. В этом диапазоне температур идет интенсивное льдооб- разование за счет замерзания механически связанной во- ды, содержащейся в макропорах радиусом более 0,1 мк. При дальнейшем понижении температуры от —10 до —40° С количество замерзшей воды увеличивается тем 39
меньше, чем ниже зрелость бетона до замерзания. В этом интервале температур замерзает рыхлосвязанная вода и вода, находящаяся в мелких капиллярах диамет- ром менее 0,1 мк. Учитывая некоторую разницу в скорости охлаждения и в наборе прочности бетонов на легких пористых запол- нителях по сравнению с тяжелыми бетонами при одина- ковых отрицательных температурах, был проведен опыт, аналогичный ранее проведенному [18]. Новые иссле- дования были проведены на керамзитобетоне состава 1 2 2,1, приготовленном па портландцементе марки 400 Белгородского завода, кварцевом речном песке и керам- зитовом гравии Лианозовского завода. Прочность ке- рамзитобетона в 28-суточном возрасте составляла 12,5 МПа. Фазовое состояние воды определялось на том же изо- термическом калориметре модели института мерзлото- ведения по отработанной ранее методике. Льдистость керамзитобетона определялась при тем- пературах — 1, —3, —5, —10, —15, —25 и —40° С. Зре- лость керамзитобетона к моменту замерзания составля- ла 0; 16; 30; 50; 65 и 100% от /?28, т. е. почти такой же, как и в ранее проведенном исследовании с тяжелым бе- тоном. Образцы после калориметрирования обрабатывались спиртом и сушились до постоянного веса при 105° С. Масса образца сухого бетона находилась в пределах 33—40, масса воды в образцах колебалась от 2 до 6 г в зависимости от зрелости бетона к моменту замерза- ния. Образцы из керамзитобетона, замораживаемые сразу после приготовления, укладывались непосредст- венно в бюксы. Образцы же из прочного бетона готови- лись путем откола кусков массой 30—40 г из середины кубиков размером 10X10X10 см, твердевших до задан- ной прочности в камере нормальных условий. Количест- во льда в образце определялось с учетом изменения теплоемкости льда и абсолютно сухого скелета бетона в зависимости от температуры. Теплоемкость льда рассчитывалась по формуле, ре- комендованной Б. П. Вейнбергом, по которой Сл = 0,5057+ 0,001863 0, де Сл — теплоемкость льда при расчетной температуре; 0 — расчетная температура, °C. 40
Теплоемкость абсолютно сухого скелета бетона опре- делялась экспериментально калориметрическим методом при —7 и —40° С. По результатам опытов при —7° С Сбет = 0,733 и при —40° С Сбет = 0,687 Дж/(г-°С). По данным НИИОПС, теплоемкость скелета бетона меняется на 0,0016 Дж/(г-°С). Поэтому в расчетах льдистости была принята следующая теплоемкость аб- солютно сухого керамзитобетона в зависимости от тем- пературы: Температура, °C Теплоемкость абсолютно су- хого керамзи- тобетона, Дж/(г-°С) —3—5 —10 —25 —40 0,741 0,737 0,737 0,733 0,729 0,703 0,687 Данные определения льдистости керамзитобетона, приведенные на рис. 1.1, показывают, что образование в нем льда аналогично образованию льда в тяжелом бе- тоне [19]. Из анализа полученных результатов следует, что фа- зовые превращения воды в керамзитобетопс, так же как и в тяжелом бетоне, зависят от степени его зрело- сти к моменту замерзания. Интенсивность льдообразо- Рис. 1.1. Изменение льдистости керамзитобетона, замороженного с разной прочностью / — сразу после изготовления; 2 —при прочности 16% от /<8; 3 — то же, 30% от foe; 4— при 50% от R>%; 5—при 65% от /?28; 5—при 100% от /?28 41
вания в керамзитобетоне, замороженном сразу после приготовления, также значительно выше интенсивности фазовых переходов воды в зрелом керамзитобетоне, по- скольку при одних и тех же температурах в более зре- лом бетоне в лед переходит значительно меньшее коли- чество воды. Так, при температуре —ГС в керамзито- бетоне, замороженном сразу после изготовления, в лед перешло 49% химически несвязанной воды, а в бетоне, выдержанном в нормальных условиях в течение двух су- ток и замороженном при прочности 30% от /?28, в лед перешло около 20% воды. При —10° С в лед перешло соответственно 90 и 57% воды, а при—25°С—90 и 68%. Льдистость у образцов керамзитобетона возрастает с понижением температуры. Наиболее интенсивное обра- зование льда происходит при температурах до —10° С, причем для бетонов разной зрелости области «значи- тельных» и «незначительных» фазовых переходов воды лежат в различных температурных пределах. Для бетона, замороженного сразу после приготовле- ния, наиболее значительные фазовые превращения воды происходят при температурах —1... —2°С; так, в лед пе- реходит при температуре —ГС до 49% воды, а при —2° С — 72%. В бетоне, прочность которого достигала 30% от /?2в, самые значительные фазовые превращения воды происходят при температурах до —5° С, когда в лед переходит 68% воды от всего ее количества, замер- зающего в бетоне такой зрелости при —40° С. Таким образом, по мере увеличения «зрелости» ке- рамзитобетона область «значительных» фазовых превра- щений воды отодвигается от 0°С и переходит в область более низких отрицательных температур. Подобная картина наблюдалась и при замерзании бетона, приготовленного на плотном известняковом за- полнителе. Причиной этого являются непрерывные физи- ко-химические изменения, протекающие в бетоне. Бетон является материалом, структура и свойства которого с течением времени изменяются. Особенно ин- тенсивно этот процесс протекает в начальный период твердения, о чем свидетельствует нарастание прочности и изменение характера пористости материала. Так, в бе- тоне состава 1:3,3: 4,5 с В/Д=0,72 общая пористость, определенная расчетно-экспериментальным методом сра- зу после приготовления, составляла 18%. В бетоне су- точного возраста она уменьшилась до 17,2%, а трех- 42
суточного — составляла уже 16,28%. Очень важным яв- ляется изменение самого характера пористости за этот период времени. В бетоне трехсуточного возраста капил- лярная пористость составляла 13,75%, контракционная 0,76% и гелевая 1,7%. Принимая во внимание, что кон- тракционная и гелевая пористости в 28-суточном возрас- те в исследуемом бетоне составляли соответственно 1,28 и 2,85%, можно сказать, что в первые трое суток твер- дения капиллярная пористость уменьшается, а контрак- ционная и гелевая увеличиваются больше чем на 50%. Это является подтверждением существенного изменения характера структуры бетона в начальные сроки твер- дения. В приведенных выше данных льдистость определя- лась при замораживании бетона, начиная с одних суток и далее. Чтобы глубже разобраться в том, что происхо- дит в самом начальном периоде замерзания изготовлен- ного бетона, автором совместно с Л. А. Беловой были проведены специальные опыты с обследованием интер- вала замерзания бетона в течение первых суток. При этом устанавливалась закономерная связь между содер- жанием жидкой фазы и гидратацией цемента, а также набором им прочности при температурах ниже 0°С. Ме- ханизм замерзания исследовался в самом раннем возра- сте, т. е. в период формирования структуры цемента и бетона. Одновременно проводились опыты и с бетоном после достижения им критической прочности, обеспечи- вающей в последующем приобретение требуемых физи- ко-механических свойств. В этом случае образцы испы- тывали в возрасте 72 ч. Исследования по определению количества льда, об- разующегося в цементном тесте, растворе и бетоне на известняковом щебне и аглопорите, замороженных сра- зу, а также через 3, 6, 9, 12, 24 и 72 ч после изготовле- ния, проводились также калориметрическим методом на той же модели института мерзлотоведения при темпера- турах от —1 до —38° С. На рис. 1.2 приведены данные об изменении льдисто- сти цементного теста, раствора и бетона, изготовленных на белгородском портландцементе. Бетон изготовлен на известняковом щебне, состав бетона 1 :2 : 3,7 при ВЩ= = 0,58. Раствор состава 1 :3 при B/Z/=0,45. Аглопори- тобетон марки 200 при В///=0,5. Как видно из рисунка, с понижением температуры 43
количество льда во всех составах увеличивается. При этом у бетона, замороженного в первые часы, большая часть воды переходит в лед (отмечается скачкообраз- ность) при температуре ниже —2° С, а у замороженного через 24 ч нормального твердения — при температуре Рис. 1.2. Изменение льдистости цементного теста, раствора и бетона, замороженных в разные сроки 1, 2, 3, 4 — соответственно цементное тесто, аглопоритобетон, раствор, бетон на известняке, замороженные сразу после приготовления; 5, 6, 7, 8 — соответ- ственно бетон на известняковом щебне, аглопоритобетон, раствор, цементное тесто, замороженные через 24 ч после приготовления Так, при t = —3°С в бетоне, вынесенном на мороз в возрасте 0, 3, 6, 9 ч, замерзает 89—86% воды, а у об- разцов, твердевших 12 и 24 ч до замораживания, соот- ветственно 80 и 57%. Основная масса льда образуется при понижении температуры до —5... —10° С, когда льдистость составляет 74 и 78% у бетона, твердевшего 24 и 12 ч в нормальных условиях, и 94% у бетона, замо- роженного сразу после приготовления. Эти данные хорошо согласуются с результатами ис- следований, проводимыми в дилатометре Т. Пауэрсом и Т. Браунярдом [84], А. Н. Савицким и Д. Литваном [81], которые отмечают, что в данном интервале темпе- ратур происходит интенсивное льдообразование за счет замерзания физически связанной воды в капиллярах ра- диусом более 0,1 мкр. При дальнейшем понижении тем- пературы от —10 до —40° С количество замерзшей воды 44
увеличивается незначительно, уже за счет замерзания ее в более мелких капиллярах диаметром менее 0,1 мк. Большое влияние на льдистость оказывает время твер- дения бетона до начала замерзания, или, иначе говоря, степень гидратации цемента и водоцементное отношение [32]. У затвердевшего цемента значительное количество незамерзшей воды находится в гелях гидросиликата кальция. В интервале температур —40... —50° С отмеча- ется некоторое увеличение льдистости за счет замерза- ния воды в контракционпых порах диаметром ^0,05 мк и рыхлосвязанной воды в топких капиллярах. В порах о радиусом менее 50 А вода замерзает при температурах ниже —60° С. Она прочно связана в кристаллической решетке геля силами адсорбции, в отличие от тон части воды, которая связана химически и фазовых превра- щениях не участвует. Чтобы полнее выявить криологические характеристи- ки, было определено влияние пористого заполнителя на льдистость бетона. Проведены исследования по опреде- лению фазового состояния воды в цементном тесте нор- мальной густоты (23,75%), раствора состава 1 3 при В/Д=0,45 и аглоноритобетоие марки 200 при ВЩ = = 0,58. Все эти опытные образцы были также изготовле- ны па белгородском алитовом (3CaO-SiO2 = 64%) мало- алюминатном (ЗСаО-А12О3 = 4%) портландцементе мар- ки 400. В этом случае замораживание было произведено сразу после изготовления образцов и в возрасте 24 ч. Опыты показали, что количество льда, образовавше- гося в цементном тесте, растворе, легком и тяжелом бе- тоне при замораживании их сразу после приготовления, составляет соответственно: при -—2° С—80,85,90 и 85%, при —3°С уже 89, 92, 94 и 89%; при 10°С—98, 96, 96 и 94%; а при —38° С —96—98%. Значительно уменьшается количество образовавшего- ся льда в таких же образцах, выдержанных перед замо- раживанием в течение 24 ч в нормальных условиях; оно соответственно равно: при —3°С—50, 57, 70 и 62%; при —5°С—62, 74, 74 и 74; при —10°С—63, 75, 75 и 78, а при —38° С—68, 79, 80 и 83%. Можно отметить, что аглопоритобетон замерзает быстрее, чем бетон на извест- няковом щебне. При температурах до —2° С вода в свежеизготовлен- ном бетоне некоторое время находится в переохлажден- 45
ном состоянии; при —1°С в данных опытах, как и в опи- санных выше, в жидкой фазе ее находится еще около 80%. Представляет несомненный интерес сопоставление льдистости у свежезатворенного цементного теста и пос- ле выдерживания их контрольных образцов в течение Рис. 1.3. Изменение льдистости цементного теста 1 — в свежеизготовленном состоянии; 2 — в суточном возрасте 24 ч в нормальных условиях. Результаты определения количества льда в цементном тесте и цементном камне после суточного твердения представлены на рис. 1.3. В данном опыте применялся тот же портландцемент Бел- городского завода. Как это видно из рисунка, с понижением температу- ры количество льда увеличивается. При этом у образ- цов, замороженных в первые часы, большая часть воды переходит в лед при температуре ниже —2° С, а у замо- роженных через 24 ч нормального твердения — при тем- пературе —5° С. В этом интервале температур происходит интенсив- ное льдообразование за счет замерзания физико-механи- чески связанной воды в порах радиусом более 0,1 мк. При дальнейшем понижении температуры от —10 до —38° С количество замерзшей воды увеличивается не- значительно уже за счет замерзания ее в капиллярах диаметром менее 0,1 мк. Большое влияние на льдистость оказывает время твердения бетона до начала замерза- ния, или, иначе говоря, степень гидратации цемента и 46
водоцементное отношение. В наших опытах цементные образцы были изготовлены из теста нормальной густоты. Все изложенное о кинетике фазовых изменений в про- цессе замерзания и оттаивания воды является первопри- чиной процесса гидратации цемента и твердения бетона при отрицательных температурах. Гидратация и связан- ное с ним тепловыделение цемента, а также твердение бетона на морозе являются следствием содержания воды в нем в жидкой фазе. Анализ приведенных данных по многочисленным опы- там с цеметным тестом, раствором и бетонами на раз- личных заполнителях, в достаточно большом темпера- турном интервале, позволяет дать вполне определенное научное объяснение процессам твердения, происходящим при отрицательных температурах. Теоретические положения только тогда являются справедливыми, когда они опираются на достоверные экспериментальные данные. На основании изложенных данных и их интерпретации можно сделать выводы не только общего характера, но и использовать их в прак- тических целях. Однако следует заметить, что решение вопросов, связанных с выбором методов производства работ и с учетом набора прочности бетоном при пере- менных положительных и отрицательных температурах, остается весьма сложной задачей. В каждом отдельном случае приходится учитывать целый комплекс факторов. Переход воды из жидкого состояния в твердое про- текает с кристаллизацией, в процессе которой выделяет- ся тепло. Вязкость воды при 0°С в 1,8 раза становится больше, чем при 20°С, и в 6 раз больше, чем при темпе- ратуре 100° С. Движение молекул воды с понижением температуры замедляется, происходит их агрегирование. Химическая активность воды падает. Отмечается ряд аномальных явлений, которые даже с применением современных ме- тодов исследований (химических и петрографических анализов, ультразвука, деформаций, рентгеноанализа) очень трудно поддаются изучению. При понижении тем- пературы воды ниже 0°С наблюдается переход ее в твер- дое состояние не сразу. Вследствие повышения вязкости воды с понижением температуры и содержания ее в ка- пиллярах переменного сечения она некоторое время оста- ется в переохлажденном состоянии, т. е. сохраняется в жидкой фазе ниже критической точки. 47
Опыты подтверждают, что началу кристаллизации водных растворов как в свободном состоянии, так и в бетоне предшествует переохлажденное состояние даже при затворении цемента на пресной воде. Как видно из рис. 1.4, раствор на шлакопортландце- менте в опытах Э. X. Булгакова [8] после 20—40 мин Рис. 1.4. Кривые замерзания образцов при различных температурах окружающей среды /_/=_4°С; 2 — /=—5,8° С; 3 — t = —5,2° С пребывания в переохлаж- денном состоянии при тем- пературах —4 и —6° С на- чинал замерзать. Однако в течение некоторого времени температура удерживалась ниже 0° за счет теплоты кри- сталлизации льда и раство- рения солей, содержащихся в цементе. В тех же опытах было установлено, что до- бавка хлористых солей и ни- трита натрия снижает тем- пературу переохлажденно- го состояния на 3° по срав- нению с криоскопической точкой при данной концен- трации. О влиянии вида приме- няемой воды для затворе- ния бетона на его физико- механические свойства не- однократно высказывались различные мнения. При этом не всегда они связываются с жесткостью воды и содер- жанием растворимых веществ. Э. X. Булгаков [8] выдви- нул гипотезу о том, что вода, подвергшаяся кипячению в течение 2—3 ч, обеспечивает повышение прочности бе- тона на шлакопортландцементе и образцов, изготовлен- ных на минерале 2CaO-SiO2, и наоборот, снижает проч- ность бетона на глиноземистом цементе и образцов, из- готовленных на минерале 3CaO-SiO2. Э. X. Булгаков объясняет эту зависимость влиянием термообработанной водопроводной воды на изменение структуры молекул воды. Было решено провести тщательную эксперименталь- ную проверку данной гипотезы. Проверка была произ- 48
ведена на трех основных видах цемента с использовани- ем различного вида воды для затворения бетона: обыч- ной водопроводной, прокипяченной в течение 2—3 ч, дистиллированной и полученной из растаявшего льда. После кипячения вода охлаждалась до температуры по- мещения. Бетоны приготавливались двух составов с рас- ходом цемента 320 и 600 кг/м3. В первом составе со- держалось 185 л воды при В/Я=0,58, во втором —224 л воды при В/Д=0,38 на кубический метр бетона. Осадка конуса колебалась в пределах 0—1,5 см, а жесткость — 15—25 с. Более жесткие смеси получались при расходе цемента 320 кг/м3. Первые сутки образцы-кубы хранились в металличе- ских формах 10X10X10 см, после чего распалублива- лись и переносились в камеру нормального хранения. Испытание на прочность при сжатии производилось че- рез 3, 7, 28 и 60 сут нормального твердения. Одновре- менно были изготовлены образцы из стандартного рас- твора с расплывом конуса 105—107 мм. Водоцементное отношение при использовании различных цементов коле- балось в пределах 0,4 -0,45. Результаты испытаний образцов из бетона при сжа- тии и из раствора при изгибе через 7 и 28 сут приведе- ны в табл. 1.2. Как видно из приводимых результатов (табл. 1.2), высказанная гипотеза о влиянии термообра- ботанной воды на прочность бетона и раствора, изготов- ленных на различных цементах, не подтвердилась. В се- мидневном возрасте у бетонов на шлакопортландцемен- те и на глиноземистом цементе па 9 и 13% прочность получалась больше при использовании кипяченой воды. На портландцементе она получалась на 15,5% меньше, чем у бетона, затворенного на обычной водопроводной воде. И в двадцативосьмисуточпом возрасте прочность бетона на портландцементе и шлакопортландцементе на 5,5—8,4% меньше при использовании той же кипяченой воды. При испытании образцов в возрасте шестидесяти суток все показатели прочности этих бетонов сблизились. Пределы отклонений в показателях прочности не пре- вышали обычных 5—15%. Как показали наблюдения при изготовлении образ- цов, на колебания прочности в большей степени оказыва- ли влияние некоторые неточности в проведении опытов. Нельзя сделать каких-либо определенных выводов так- же и в отношении использования дистиллированной во- 4—23 49
gТаблица 1.2 ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА И РАСТВОРА, ЗАТВОРЕННЫХ НА РАЗЛИЧНОЙ ВОДЕ Цемент Характеристика воды затворения Прочность в/ц раствора Сроки схватывания раствора бетона при сжатии | раствора при изгибе начало конец возраст, сут 7 | 28 | 7 28 Шлакопортланд- цемент Водопроводная 14,2 100 33,2 100 2,85 100 6,64 100 0,45 2 ч 01 мин 5 ч 41 мин Кипяченая 15,5 109 30,4 91,6 3,19 112 5,76 87 0,45 1 ч 53 мин 5 ч 28 мин Дистиллированная 16,1 113 31,1 93,8 3,03 106 6,56 99 0,46 2 ч 03 мин 5 ч 39 мин Из растаявшего льда 14,3 100,7 28,8 86,7 3,04 106,8 5,51 83 0,45 1 ч 50 мин 5 ч 30 мин Портландцемент Белгородского за- вода Водопроводная 36,8 100 52,7 100 5,37 100 7,79 100 0,4 2 ч 48 мин 6 ч 20 мин Кипяченая 31,1 84,5 50,4 95,5 4,8 7,6 0,4 3 ч 04 мин 6 ч 07 мин 89,5 97,6
** Дистиллированная 35,4 96,4 49,6 94,3 4,84 90 7,38 95 0,4 2 ч 50 мин 6 ч 15 мин Из растаявшего льда 36,8 100 49,4 93,7 5,29 98,5 7,11 91,4 0,4 2 ч 55 мин 6 ч 07 мин Глиноземистый Водопроводная 33,5 100 41,4 100 5,52 100 4,99 100 0,44 1 ч 10 мин 3 ч 40 мин Кипяченая 38 ИЗ 48,5 117 4,85 88 4,54 91 0,44 1 ч 04 мин 3 ч 22 мин Дистиллированная 34 101 43,4 105 4,96 90 4,76 95,6 0,45 1 ч 07 мин 3 ч 07 мин Из растаявшего льда 37,7 112,5 42,3 102 4,97 90,2 4,66 93,6 0,44 1 ч 02 мин 3 ч 25 мин Примечание. Над чертой указана прочность при сжатии и изгибе в МПа, под чертой — прочность в % от ~ прочности бетона, затворенного на обычной водопроводной воде.
ды и воды, полученной из растаявшего льда. У раство- ров на портландцементе и на глиноземистом цементе от- мечается вообще некоторое уменьшение прочности в 7- и 28-суточном возрасте, — на шлакопортландцементе прочность раствора была выше на 6—12% только в се- мисуточном возрасте. К двадцати восьми суткам она вез- де получилась несколько ниже, чем у раствора, изготов- ленного на обычной водопроводной воде. Дистиллированная вода, как более мягкая, не способ- ствовала увеличению расплыва конуса раствора при оди- наковых В/Ц для различных составов. Поэтому водопот- ребность бетонной смеси при одинаковой консистенции нс следовало изменять. Таким образом, влияние термо- обработки воды на прочность бетона в опытах не вы- явилось. Вопрос о влиянии вида воды на свойства затворяе- мых на них бетонов является более сложным, чем это кажется некоторым технологам. За последние 5—6 лет опубликовано много работ о повышении прочности бетонов, затворяемых на воде, подвергнутой магнитной обработке. Лабораторные ис- следования проводились в Московском государственном университете, Новочеркасском, Пермском, Краснодар- ском и других политехнических институтах, в Минском институте тепло- и массообмена, в ЦНИИЭП жилища, в НИИЖБ, в институте горно-химического сырья и дру- гих. Однако теория воздействия электромагнитного поля на свойства воды, применяемой при изготовлении бето- на, никем не разработана. Магнитную воду некоторые исследователи применяют в сочетании с другими техно- логическими факторами. Например, в бетон вводятся по- верхностно-активные добавки, воду насыщают ионами железа, применяют повторную вибрацию, вместо фрак- ционированных заполнителей применяют природные песчано-гравийные неоднородные смеси и т. п. Исследования, проведенные в НИИЖБ и некоторых других организациях, показали, что магнитная вода не оказывает прямого воздействия на прочность бетона. При некоторых режимах магнитной обработки воды от- мечалось повышение пластификации жестких смесей, главным образом керамзитобетонных. Следует обратить внимание на то, что большинство исследователей утверждало о происходящем повышении прочности бетона на магнитной воде без уменьшения во* 52
доцементного отношения. То есть в их опытах не был использован эффект пластификации смесей (если тако- вой был) и расход магнитообработанной воды не умень- шался по сравнению с применением обычной водопро- водной воды. Применительно к технологии бетона про- цессы магнитной обработки воды неуправляемы и не- контролируемы. Свойства воды могут изменяться не только по временам года, но и в течение одного дня. Снижения расхода цемента в строительстве необходимо добиваться другими, научно обоснованными мероприя- тиями. Поэтому от использования магнитной воды для затворения бетона в производственных условиях следует воздержаться. Разработанные рядом организаций инст- рукции и временные указания для производственного применения магнитной воды при изготовлении бетонов являются преждевременными, так как они необосно- ванны. ГЛАВА 2 ГИДРАТАЦИЯ, ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ И СТРУКТУРА НОВООБРАЗОВАНИЙ ПРИ ТВЕРДЕНИИ ЦЕМЕНТА В РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ Процессы, связанные с гидратацией портландцемен- та, изучаются в течение более 100 лет во многих странах. Был высказан ряд гипотез (теорий) о процессах гидра- тации минералов цемента и о твердении его с течением времени. Однако ни одна из гипотез, в том числе А. Ле-Шателье, В. Михаэлиса, А. А. Байкова, П. А. Ре- биндера, Л. Форсена, Т. Пауэрса, X. Тейлора и др., по является общепризнанной как теория твердения. Это подтверждается позднейшими исследованиями с приме- нением современных приборов и методов. Значительно углублены знания по минералогии цементного клинкера, формированию структуры новообразований, выявлена роль физических и физико-химических процессов при твердении в различных температурных условиях. На протяжении последних 10—12 лет среди ведущих ученых как в Советском Союзе, так и за рубежом ведут- ся дискуссии по вопросу механизма гидратации и твер- дения цемента. Одни утверждают, что твердение проис- 53
ходит только путем растворения и выкристаллизовыва- ния продуктов из пересыщенных растворов. Другие считают, что продукты новообразований являются след- ствием топохимических реакций. Третьи (к числу кото- рых принадлежит и автор), не исключая топохимических реакций, считают, что процессы твердения начинаются и в основном протекают путем растворения и выкристал- лизовывания продуктов гидратации и гидролиза из пе- ресыщенных растворов. Не противопоставляя эти гипотезы одну другой, име- ются основания предполагать, что процессы гидратации и твердения цемента начинаются с растворения и выкри- сталлизования гидратов. Затем с течением времени про- исходит внедрение молекул воды и ионов ОН в кристал- лическую решетку минералов непрореагировавшей части цементного клинкера, без перехода через раствор. При ограниченном доступе воды через плотные оболочки геля углубление гидратации цемента происходит топохимиче- ски замедленно, т. е. путем непосредственного взаимодей- ствия минералов с водой без перехода продуктов новооб- разований в раствор. Вода диффундирует через ультра- микропоры геля, особенно при перекристаллизации его. Представления о чисто коллоидных процессах, подоб- ных загустеванию и уплотнению клея, современные мето- ды исследований — рентгеноструктурный, электронно- микроскопический и другие — опровергают даже приме- нительно к ранней стадии твердения. Установлено, что гидросиликаты кальция представляют собой ничто иное, как сростки чрезвычайно мелких кристаллов, хотя они и обнаруживают свойства, характерные для гелей. ХИМИКО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЦЕМЕНТОВ Обычное определение химического состава цемента не дает необходимой характеристики его свойств. По данным содержания окислов в процентах не представля- ется возможным определить скорость твердения и уста- новить наиболее благоприятный тепловлажностный режим выдерживания бетона на том или ином цементе. Минералогический состав невозможно рассчитать, так как заводские цементы содержат различные минераль- ные молотые добавки. Схватывание и твердение цементов обусловливается взаимодействием цемента с водой, при котором происхо-
дит растворение минералов клинкера и их гидратация (присоединение воды). Поэтому минералогический со- став лучше всего характеризует технические свойства цементов. Минералогический состав цемента предопределяет состав и структуру новообразований, а также нараста- ние прочности цементного камня во времени, в зависи- мости от различных факторов. В составе портландцементного клинкера содержатся следующие основные минералы: трехкальциевый сили- кат 3CaOSiO2*, двухкальциевый силикат р 2CaO-SiO2, трехкальциевый алюминат ЗСаО-А12О3 и четырехкаль- циевый алюмоферрит СаО-Al203-Fe203. Обычно в клин- кере портландцемента содержится около 75% трехкаль- циевого и двухкальциевого силиката. При зимних работах рекомендуется применять портландцементы, содержащие не менее 50% C3S. Трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита в портландцементном клинкере содер- жится около 20%. Проходя совместно с силикатами кальция обжиг при высокой температуре, они затем при быстром охлаждении частично переходят в стекловид- ную массу. В состав шлакопортландцемента, помимо тех мине- ралов, которые находятся в цементном клинкере, входят также минералы, находящиеся в шлаках: двухкальцие- вый силикат Р и у 2CaOSiO2, геленит 2CaO-Al2O-SiO2 и некоторые другие составляющие. В пуццолановом порт- ландцементе кроме клинкерных минералов присутствует в большом количестве активный кремнезем (трепел, трасс и др.). В составе клинкера глиноземистого цемента содер- жатся: однокальциевый алюминат СаО-А12О3, одиокаль- циевый двухалюминат СаО-2А12О3, пятикальциевый трехалюминат 5СаО-ЗА12О3, двухкальциевый силикат, геленит и др. Однокальциевого алюмината, как основной составляющей части, в глиноземистом цементе обычно содержится около 60%. Повышенное содержание пяти- кальциевого трехалюмината вызывает быстрое схваты- вание глиноземистого цемента. Геленит является инерт- ной составляющей цемента. * В дальнейшем будут использованы следующие сокращенные обозначения: C3S вместо 3CaO-SiO2; C2S вместо 2CaOSiO2; С3А вместо ЗСаО-А12О3 и C4AF вместо 4СаО-Al2O3-Fe2O3. 55
Для ускорения твердения цементов необходимо тонь- ше размалывать клинкер, так как при этом увели- чивается удельная поверхность получаемого порошка. Желательно иметь цементы, проходящие через сито 4900 отв/см2 в количестве не менее 95% или с удельной поверхностью, определяемой по методу Товарова, около 4000 см2/г. При зимнем бетонировании следует применять более активные цементы, чем в других условиях. При выборе цементов по минералогическому призна- ку надо иметь в виду, что алюмосодержащие минералы С3А и C4AF оказывают наибольшее влияние на процес- сы схватывания и раннего твердения портландцемента. Гидросульфоалюминат и гидроалюминат кальция вме- сте с гидратом окиси кальция создают кристаллический каркас и определяют начальную прочность цементного камня и бетона. При пониженных положительных и отрицательных температурах рекомендуется применять высокоалито- вый цемент с повышенным содержанием С3А и C4AF, а при тепловой обработке изделий — умеренноалито- вый с малым количеством алюмосодержащих мине- ралов. После образования кристаллического каркаса из гид- роалюминатов кальция дальнейшее его развитие и уп- лотнение структуры, а следовательно, и нарастание про- чности цементного камня и бетона происходит, главным образом, за счет гидросиликатов кальция. ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА ПРИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Скорость твердения и конечная прочность бетона на- ходятся в определенной зависимости от скорости и глу- бины гидратации применяемых цементов. Исследовани- ем процессов гидратации минералов цементного клин- кера и различных цементов занимаются как отечествен- ные, так и зарубежные ученые химики и технологи по вяжущим материалам и бетонам. Благодаря изучению процесса гидратации цементов и составляющих их мине- ралов изыскиваются пути к управлению процессами схватывания и твердения бетона в различных условиях применения. При этом вырабатываются и требования к техническим свойствам цементов. 56
Надо заметить, что проводимые в этой области ис- следования в основном ограничиваются изучением гид- ратации при нормальной и повышенных температурах, в том числе при автоклавной обработке, которая на пра- ктике применяется в небольших масштабах. Приведя некоторые данные для характеристики гидратации от- дельных минералов и портландцемента при положи- тельных температурах, мы несколько подробнее рассмот- рим результаты наших исследований по гидратации це- мента при низких положительных и при отрицательных температурах. В настоящее время вполне актуальным становится вопрос об изучении гидратации цемента и твердения бе- тона при отрицательных температурах. Необходимо иметь полную ясность в отношении интенсивности твер- дения бетона при пулевых и отрицательных температу- рах. Эти пока немногочисленные результаты экспери- ментальных исследований при отрицательных темпера- турах должны обратить внимание ученых на дальней- шее их развитие, па необходимость углубления в сторо- ну изучения физико-химических процессов, протекаю- щих в бетонах при зимнем бетонировании. До сих пор исследователи больше изучали воздейст- вие раннего замораживания на физико-механические свойства бетонов, много внимания уделяли морозостой- кости бетона. Очень мало исследований как за рубежом, так и в СССР посвящено физическим и химическим свойствам зимнего бетона, его криологическим характе- ристикам. При проведении экспериментов и рассмотрении ре- зультатов, полученных при изучении гидратации порт- ландцементов различными методами (химический ана- лиз, рентгеноструктурный анализ, микроскопия, весо- вой ДТЛ), у нас возникало много методических вопро- сов и по самой технике подготовки проб. В связи с этим целый ряд анализов делался повторно, повышалась тщательность выполнения всех операций. Поэтому здесь уместно напомнить высказывание Л. Коупленда, Д. Ка- нтро, Г Вербека [24] во вступительной части доклада «Химия гидратации портландцемента» на четвертом Международном конгрессе по химии цемента: «Трудно- сти, встречающиеся при изучении химии гидратации портландцемента, обсуждались много раз, но хорошо известны лишь тем, кто работает в данной области. Не- 57
смотря на это делаются определенные успехи, хотя путь к пониманию процессов гидратации довольно сложен». Еще более сложным он является при проведении ра- бот при отрицательных температурах. Общепризнанной стандартной методики определения адсорбированной и гидратной воды не существует. Опыты показывают, что 1идратная вода из алюминатных составляющих начина- ет удаляться не при 105° С, как это многие считают, а уже при 60° С и даже ниже. При 105° С адсорбционно связанная вода может уда- ляться только у инертных материалов, а не у вяжущих. Например, совершенно очевидно, что при .105° С вода удаляется из сульфоалюмината, дегидратируется гипс. По-различному принимают некоторые исследователи и наивысшую температуру, при которой определяются полные потери при прокаливании проб. Одни считают, что принимать за химически или прочно связанную воду следует ту, которая удаляется при 1000° С, другие — при 600° С или 700° С. Границы разделения химически (прочно), адсорбционно (слабо) связанной и свободной воды очень трудно установить. Часть воды может ад- сорбционно удерживаться довольно прочно в кристалли- ческой решетке, не являясь кристаллогидратной. Прочность цементного камня, учитывая большую по- верхность продуктов гидратации, создается в результа- те объединения физических (адсорбционных) сил, так называемых Ван-дер-Вальсовых, с силами химическими, связи которых называют валентными. Чем в более близком контакте с твердыми частица- ми находятся мономолекулярные слои адсорбированной воды, тем прочнее их связи. По мере удаления их связи ослабевают. В крупных порах вода в большей части на- ходится в свободном состоянии. Например, можно легко наблюдать, как вода свободно удаляется с ячеек (круп- ных пор) пено- или газобетона. Свободная вода не уве- личивает, а, наоборот, уменьшает прочность, размягчает цементный камень и бетон. Гидратацию отдельных минералов портландцемента можно характеризовать результатами исследований проф. В. Н. Юнга, проведенными в Московском химико- технологическом институте имени Д. И. Менделеева (табл. 2.1). Количество химически связанной воды (в процентах от массы цемента) определялось в возрасте 3, 7, 28, 180 58
Таблица 2.1 КОЛИЧЕСТВО ВОДЫ, ПРИСОЕДИНЯЕМОЙ ОТДЕЛЬНЫМИ МИНЕРАЛАМИ, % ОТ МАССЫ ЦЕМЕНТА Минералы Условия твердения нормальные, в течение сут при полной гидратации после пропа- ривания под давлением 0,8 МПа по ре- жиму 24-84-2 ч 3 28 180 С3А 19 22 25 30 35 23 C4AF 14 16 18 22 29 20 C3S 5 7 10 13 16 12 C2S 1 1,5 2,5 5 10 5 суток и при полной гидратации в нормальных условиях. Кроме того, подобное определение производилось после пропаривания под давлением 0,8 МПа в автоклаве в те- чение 8 ч. Из минералов быстрее всех гидратируется трехкаль- циевый алюминат. Достаточно быстро гидратируется и четырехкальциевый алюмоферрит. Силикаты кальция гидратируются значительно медленнее. Особенно мед- ленно гидратируется двукальциевый силикат, который в трехдневном возрасте присоединяет всего лишь около 1 %, а в месячном возрасте 2,5% воды. В результате 8-часовой автоклавной обработки мине- ралы портландцементного клинкера присоединяют воды почти столько же, сколько в течение 180-суточного хра- нения. По данным Г Ямагуши и др., степень гидратации клинкерных минералов портландцемента, начиная от момента затворения цементного теста с В/Ц = 0,5 до 91- суточного возраста выдерживания при температуре 20° С, характеризуется табл. 2.2. По степени гидратации минералы распределяются в том же порядке, что и по количеству связанной воды. Как показали исследования С. Д. Окорокова, наличие гипса и взаимодействие продуктов гидратации портланд- цемента в процессе твердения несколько изменяет ско- рость гидратации минералов в цементе по сравнению с индивидуальными минералами. Водоцементное отноше’ ние влияет на скорость и степень гидратации как мине- ралов, так и цементов. Увеличение тонкости помола уве- личивает скорость гидратации, особенно в начальном 59
Таблица 2.2 СТЕПЕНЬ ГИДРАТАЦИИ МИНЕРАЛОВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Степень гидратации, % в возрасте Минералы 3 мин 1 ч 1 сут | 28 сут | 91 сут c3s 1—4 1—9 40—70 80—100 90—100 p-c2s 0,5—1 1—2 7—15 20—35 75—80 С3А 10-30 14—32 40—60 60—80 85—95 C4AF 8—20 11—23 20—40 50—70 80—85 периоде. С повышением температуры скорость гидрата- ции увеличивается. Степень гидратации с течением вре- мени не увеличивается, а, по данным ряда исследовате- лей, несколько уменьшается. Как видно из работ С. Бру- науэра и Д. Кантро [7] степень гидратации силикатов кальция в тесте с В/Ц=0,70 при температурах 5, 25 и В возрасте 300 сут степень гидратации двухкальциево- го силиката при всех трех температурах выравнивается. У трехкальциевого силиката к этому возрасту наибо- лее высокие показатели были при температуре 25° С и некоторое уменьшение степени гидратации отмечается при температуре 50° С. При температуре 5° С наблюда- ется замедление в степени гидратации только на началь- ной стадии. В конечном итоге можно считать, что со вре- 60
менем силикаты кальция при температуре 5° С гидрати- руются на такую же глубину, что и при 25° С. Авторы объясняют это тем, что с понижением температуры об- разуется более проницаемая оболочка продуктов ново- образований вокруг цементных частиц, чем при повы- шенных температурах [7]. Алюмосодержащие минералы хотя и быстро гидра- тируются и связывают наибольшее количество воды, од- нако они при повышенных температурах снижают проч- ность цементного камня. Для технологов-бетонщиков большой интерес пред- ставляют экспериментальные данные о скорости и сте- пени гидратации цементов при различных температурах. Из цементов быстрее всех гидратируется глиноземистый цемент, содержащий преимущественно алюминаты каль- ция. Зерна глиноземистого цемента размером в попереч- нике до 50 мк почти полностью гидратируются к трех- дневному возрасту. На втором месте по скорости гидратации находится портландцемент. Чем выше основность силикатов каль- ция и тонкость помола портландцемента, тем быстрее он гидратируется. Опыты показывают, что зерна цемента марки 400—500 с поперечником до 10 мк полностью гид- ратируются к 28-суточному возрасту. В месячном возра- сте обычный портландцемент такой активности присое- диняет воды около 12%, а при полной гидратации—20— 25%. Высокоалюминатный портландцемент вследствие присоединения большого количества воды образующим- ся сульфоалюминатом кальция химически связывает до 30% воды. Автором совместно с канд. техн, наук 3. М. Ларионо- вой и инж. С. X. Ярлушкиной было определено количе- ство связанной воды в гидратных новообразованиях, подсчитанное по данным термовесового анализа и по потере массы образцов (проб) в результате прокалива- ния их при 600° С. Одновременно под микроскопом и по водопоглощению изучали структуру образцов. Опытные образцы изготовлялись из различных цементов по мине- ралогическому составу. Часть образцов испытывалась на прочность при сжатии после твердения в нормаль- ных условиях в течение 1, 3 и 28 сут. Результаты исследований приведены в табл. 2.3. В ней приведены данные о степени гидратации, количе- стве гидратной воды, пористости и прочности при сжа- 61
Таблица 2.3 ГИДРАТАЦИЯ И СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ИЗ ЧИСТЫХ КЛИНКЕРНЫХ ЦЕМЕНТОВ Цементы Возраст образцов, сут Степень гидратации, % Количество гидратной воды, % Пористость под микро- скопом, % Прочность при сжатии, МПа по количеству негидратиро- ванного алита по количеству негидратирован- ного цемента по данным тер- мовесового ана- лиза по данным хими- ческого анализа Алитовый 1 32 31 10 8,5 2,6 4,4 высокоалюми- 3 56 51 14 14 1,3 — патный 28 72 66 17,5 18 1 32,5 Алитовый вы- 1 36 35 11 2,3 4,9 сокоалюми- 3 55 53 14 1,2 — натный с 5% 28 72 67 18 0,9 34,4 CaSO4 Алитовый 1 19 18 5 6 2,3 2,8 низкоалюми- 3 46 40 8 10 1,2 — натный 28 64 57 16 17 1,1 32,2 Алитовый низ- 1 28 26 8 2,1 3,3 коалюминатный 3 57 51 13 1,1 — с 5% CaSO4 28 70 63 17 0,8 33,3 тии образцов цементного камня с ВЩ—0,3 из чистых клинкерных цементов без добавки и с гипсом. Алитовый высокоалюминатный клинкер имел состав: C3S = 66%; CsS = 9%; С3А= 14%; C4AF=5%, а алито- вый низкоалюминатный отличался содержанием С3А = = 2% и C4AF=I6%. Твердение образцов происходило в нормальных условиях. Добавка гипса ускоряет гидра- тацию клинкеров в первые сутки. Более существенное ускорение наблюдается в случае затворения малоактив- ного низкоалюминатного клинкера. Гидратация высоко- алюминатного клинкерного цемента сопровождается об- разованием большого количества соединений гидроалю- минатного и гидросиликатиого состава. В образцах нормального твердения гидросиликатная масса имеет скрытокристаллическое строение, лишь на неплотных участках цементного камня с помощью эле- ктронного микроскопа можно различить чешуйчатые кристаллы СгНз. Цементный камень из низкоалюминат’ 62
кого клинкера в первые сроки твердения отличается не- высокой степенью гидратации и неплотной структурой. С целью изучения влияния пропаривания на про- цессы гидратации и структурообразования были изго- товлены образцы цементного камня и бетона па алито- вом высокоалюминатном цементе из клинкера Воскре- сенского завода марки 400 (C3S = 49%; C2S = 21 %; С3А=12%; C4AF=14°/o). Все образцы изготовлялись при В/Ц = 0,4. Бетон был принят состава 1 1 2,2 па кварцевом песке и известняковом щебне. Пропаривание производили при 80° С по режиму 2-}-3+Ar+2 ч. Про- должительность (N) изотермического прогрева равня- лась 2, 6, 12 и 16 ч. Результаты испытаний приведены в табл. 2.4. В 28-суточном возрасте количество гидратной воды при нормальном твердении уменьшилось по сравнению с данными, приведенными в табл. 2.3, а именно 15% вместо 16—18%. После пропаривания показатели коли- чества гидратной воды и степени гидратации в % полу- чены больше по сравнению с показателями после 28- суточного хранения образцов только в нормальных условиях. Однако прочность у пропаренных образцов была явно ниже, чем у хранившихся все время в нор- мальных условиях. Пористость у пропаренных образцов больше, чем у твердевших в нормальных условиях. В то же время от- мечено, что с увеличением продолжительности изотер- мического прогрева происходит уплотнение бетона, со- стояние контактов с заполнителем улучшается. После 12 ч пропаривания прочность не увеличилась, а, наобо- рот, уменьшилась. Этот вопрос в дальнейшем будет рас- смотрен подробнее с объяснением причин спада проч- ности. При анализе результатов, приведенных в табл. 2.4, следует учитывать, что портландцемент в этом случае был высокоалюминатным. Интересные исследования по гидратации цемента при нормальном твердении, пропаривании и при предва- рительном элсктроразогреве бетонной смеси проведены во ВНИИЖелезобетоне В. Н. Россовским. Им были ис- следованы образцы, изготовленные из портландцемента завода «Гигант» и Белгородского завода. Для исследо- ваний по гидратации были созданы специальные уста- новки с использованием сосудов Дюара и эксикаторов, в которых велась тепловая обработка. Результаты опре- 63
^9 Бетон 1 1 2,2, B/ZZ = 0,4 Пропаривание После пропа- 2 — — 5,2 16,5 при 80° С по режи- ривания 6 — — 5,4 24,9 му 2+3-HV+2 ч 12 — — 5,2 29,2 16 — — 5,6 21,6 Цементный ка- мень B/ZZ = 0,4 Образцы Нормальное твердение Пропаривание при 80° С по режи- му 2+3+7V+2 ч Нормальное твердение Режим твердения ND 00 — 1 После пропа- ривания ND 00 — Возраст образцов, сут 1 1 О> ND CD ND 1 1 Продолжитель- ность изотерми- ческого прогрева N, ч 1 -о сл С© 00 О 00 CD ND 00 00 Степень гидра- тации алита, % 1 1 О) О) СП rfi. сл <© Количество гид- ратной воды, % 4,6 1 1 1 | Пористость по водопоглоще- нию в возрасте 28 сут, % 5,2 27,6 ND 00 00 ND С© 00 ND "—"nd ND 00 4,4 41,3 Прочность при сжатии, МПа ГИДРАТАЦИЯ и СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ И БЕТОНА НА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ ВОСКРЕСЕНСКОГО ЗАВОДА
5-23 Таблица 2.5 ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ТВЕРДЕНИЯ НА ГИДРАТАЦИЮ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА БЕЛГОРОДСКОГО ЗАВОДА Режим твердения Нормальное твердение Пропаривание (34-84-3) ч при 85°С Предварительный электроразогрев смеси при температуре, °C 50 70 1 so Время отбора 5^ га н и ° га га 5*^ с: га пробы <и 3 о. Е( 71 а О) р S ? tS я ° § = о <u 3 з «=с 3 3 2 я ® Я о га я L. га = gs и г о га ® Sa 5 = О га *;= о Sa О. о ё* S а о. о л 1* Б = г- ~ и - § = о ? h‘ о =* 0J га =1 - о га о h' о - Соде занн б £ ® Ч. »г О ® О со Н 3 О - Сразу после 0,345 1,6 0,787 3,6 1,348 6,1 разогрева 1 ч 0,451 2,4 1,326 6 2,261 10,4 3,051 13,9 3 ч 0,653 3 3,423 15,6 3,251 14,8 4,482 20,4 5,646 25,6 6 ч 1,928 8,8 — — 5,953 27 7,751 35,2 8,551 38,9 12 ч 3,935 17,9 10,405 47,3 8,831 40,1 9,92 45,1 10,161 46,1 1 сут 6,682 30,4 10,504 47,7 9,531 43,3 10,616 48,2 11,452 52 3 сут 10,752 49 11,071 53,3 11,552 52,5 12,548 57 13,011 59,1 7 сут 13,254 60,2 11,85 54 13,671 62,1 12,91 58,7 14,261 64,8 14 сут 15,357 70 12,74 58 15,123 68,8 14,299 65 14,949 68 28*сут 17,701 80,5 14,244 65 17,251 78,4 16,655 75,7 85 15,741 70,3 12 мес 20,501 93 17,069 73 19,884 90,4 18,747 16,71 76 Примечание. Полная гидратация — 22,02% сл
деления количества связанной воды в зависимости от режима твердения для портландцемента Белгородского завода приведены в табл. 2.5. В отличие от приводимых данных по белгородскому портландцементу у образцов па портландцементе заво- да «Гигант» количество связанной воды было несколько больше, а, самое главное, она более интенсивно связыва- лась в ранние сроки. В начальные сроки содержание связанной воды и степень гидратации были в 1,5—2 ра- за выше, чем у цемента Белгородского завода. К 28 сут эта разница уже составляла от 5 до 15% в сторону уве- личения. Полная гидратация портландцемента завода «Гигант» характеризуется 26,36%, вместо 22% у порт- ландцемента Белгородского завода. В первые часы больше всего химически связывается вода при электроразогреве. При этом чем выше темпе- ратура разогрева, тем быстрее протекает гидратация цемента. Однако начиная с 4—5-суточного возраста на- блюдается тенденция к увеличению количества связан- ной воды в образцах с меньшими температурами элект- роразогрева. К 2—3-суточному возрасту в портландце- менте завода «Гигант» и примерно к 3—7-суточному возрасту в портландцементе Белгородского завода, хра- нившихся в условиях нормального твердения, количест- во химически связанной воды становится таким же, как в портландцементах, твердевших по ускоренным режи- мам. В дальнейшем при тепловой обработке наблюдает- ся тенденция к снижению количества химически связан- ной воды. В заключение анализа приведенных данных можно сказать, что у исследователей нет единого мнения в от- ношении глубины и степени гидратации цементов при тепловой обработке в сравнении с нормальным тверде- нием. Например, при сопоставлении химически связан- ной воды у двух рассмотренных цементов следует иметь в виду, что портландцемент завода «Гигант» характе- ризуется более тонким помолом (4100 см2/г) и повышен- ной алюминатностью, а портландцемент Белгородского завода был более грубого помола (2850 см2/г) и низко- алюминатным. При рассмотрении данных различных ис- следователей часто отсутствуют критерии сопоставимо- сти. Тем не менее, можно вполне определенно сказать, что общая характеристика в отношении влияния различ- ных температур на процессы гидратации цементов уста- 66
новлена. Приведенные нами данные помогут ориентиро- вать в вопросах выбора цементов и режимов твердения бетона при положительных температурах. ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Влияние различных положительных температур на скорость и степень гидратации цемента, как было отме- чено, изучалось многими учеными, и результаты их ис- следований докладывались на международных конгрес- сах по химии цемента и приводятся во многих отечест- венных и зарубежных работах. Несмотря па большой научный п практический инте- рес, вопрос о влиянии отрицательных температур иа ки- нетику и степень гидратации цемента очень мало изучен и слабо освещен в литературе. В связи с этим в лабора- тории методов ускорения твердения бетонов НИИЖБ были проведены специальные исследования, целью ко- торых являлось изучение фазовых превращений жидкой фазы, кинетики связывания воды и тепловыделения це- ментом, а также нарастание при этом прочности цемент- ного камня, раствора и бетона при отрицательных тем- пературах. Известно, что количество испаряемой воды и степень гидратации минералов, так же как и количество выде- ляемого экзотермического тепла, являются следствием и мерой степени гидратации цемента при различных тем- пературах, с течением времени. Изложенное в первой главе о кинетике фазовых из- менений в процессе замерзания и оттаивания воды явля- ется первопричиной, а гидратация и тепловыделение це- мента па морозе являются следствием содержания воды в жидкой фазе. Скорость и степень гидратации цемента изучались автором совместно с Л. А. Беловой с помо- щью различных методов: рентгеноструктурным качест- венным анализом, химическим анализом по количеству непрогидратированного C3S, путем измерения потерь массы прокаливанием образцов при 600 и 1000° С, пред- варительно высушенных при 105° С, по количеству проч- носвязанной воды, дифференциально-термическим ана- лизом с одновременным определением потерь массы в пределах эффекта дегидратации Са(ОН)2 и общей по- тери массы при 1000° С и с помощью электронной микро- 5* 67
скопии. Исследования проводились на образцах разме- ром 2X2X2 см, изготовленных из теста нормальной густоты. Образцы замораживались при температурах—2, —5, —10 и —20° С сразу же после изготовления, затем через 3, 6, 9, 12 и 24, а в ряде случаев и 72 ч после выдержи- вания в нормальных условиях. Для определения степени гидратации цемента на мо- розе образцы выдерживались 28 сут при соответствую- щей отрицательной температуре, затем измельчались, об- рабатывались 100%-ным спиртом в холодильной каме- ре. Часть образцов, замороженных при указанных выше температурах и в те же сроки, выдерживалась па моро- зе 7 и 28 сут, а затем оттаивалась и твердела 28 и 90 сут в нормальных условиях. После этого они также измель- чались, трижды обрабатывались 100%-ным спиртом и дважды эфиром, и в них определялась степень гидрата- ции цемента. Одновременно исследовались образцы нормального твердения. Для рентгеновского анализа и ДТА после измельче- ния образцы пробы предварительно просеивались через сито 10 000 отв/см2, а для химического анализа через си- то 4900 отв/см2. Потери при прокаливании определялись при 600 и 1000° С после высушивания и взвешивания при 105° С. Количественный и качественный рентгеновские ана- лизы выполнялись с помощью рентгеновского аппара- та УРС-50ИМ. Количественные определения были выполнены в НИИЦементе и НИИасбестоцементе Б. П. Рязиным и Г С. Морголиной, а качествен- ные— в лаборатории физико-химических исследований НИИЖБа. Для уточнения состава новообразований и определе- ния количества связанной воды с образцов были сняты термограммы на автоматической комплексной установ- ке АВТУ, оборудованной для регистрации потери мас- сы при нагревании и скорости нагрева образцов 25— ЗОград/мин. Эти исследования проводились также в ла- боратории физико-химических исследований НИИЖБа. Определение количества прочносвязанной воды мето- дом химического анализа выполнялось в лаборатории методов ускорения твердения бетона Т. А. Барановой. В исследованиях применяли цементы Белгородского и Воскресенского заводов, минералы цементного клинке- 68
Таблица 2.6 ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕМЕНТА Материал Портландцемент Белгородского завода То же, Воскресен- ского завода Портландцементпый клинкер Николаевско- го завода То же, Спасского завода 23,75 25,75 2500 40,3 64 4500 46,1 56 57 56 15 4 14 16 7 16 18 10 12 18 10 pa C3S и С3А и клинкеры Николаевского и Спасского заводов, составы и характеристики которых указаны в табл. 2.6. Вначале обратимся к результатам химического ана- лиза по определению гидратации белгородского и воск- ресенского портландцементов при различных отрица- тельных температурах (см. табл. 2.7). В этой таблице приведены данные о степени гидратации, полученные, как будет рассмотрено далее, рентгепоструктурпым ана- лизом. Такое сопоставление интересно тем, что были ис- следованы образцы из серии тех же образцов, которые передавались па химический анализ. Приводимые ре- зультаты получены на образцах, выдержанных при от- рицательных температурах в течение 28 сут и исследо- ванных сразу после оттаивания. Перед анализом образ- цы подверглись обработке с целью обезвоживания. Анализ показал, что взаимодействие цемента с водой при нормальной температуре начинается сразу после его затворения. В дальнейшем количество химически (прочно) связанной воды непрерывно увеличивается. Пробы подсушивались при температуре 105° С. В белго- родском цементе содержалось гидратной воды до нача- ла его затворения 1,13%, а в воскресенском 1,3%. При высушивании изготовленных проб до 105° С испарялась и часть гидратной воды вследствие начинающейся де-
о Таблица 2.7 о КОЛИЧЕСТВО СВЯЗАННОЙ ВОДЫ И СТЕПЕНЬ ГИДРАТАЦИИ ЦЕМЕНТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Белгородский цемент Воскресенский цемент о Количество связанной воды по о е Количество связанной воды по Время выдержи* я S s 0) *3 данным химического анализа, % »! а э данным химического анализа, % вания при поло- Темпера- я w • 6 н Я 6 S « 3 кительной темпе- тура, °C С^о 3 е а s 5 «и я я а. о з Е ? ратуре до замо- С о £7® о а а. о G Е 0 2-я раживания, ч “ к я Д а. = 2 я° ри мае 105° С О. Я К Я я = ЙО о. CQ н с °О О ВО с а в- о • « 5 S О К В я £ а. 2 я^ ри мае 105° С s н- а. а е ® с Е а ЙО Q. Я н a (j о Е а О°о «и о а § £ ОС/) о о а. а с 5 03 о 2 Е и - £ ОС/) н а о а. Е Е <и а° о я ° а. 2 3«gs о с = е 22 о 5 д к О е О Е «2 0 5 S & 0 —2 1 26 4,96 4,05 9,01 18,5 3,98 4,01 7,99 0 —5 7,6 2,8 1,48 4,28 4,8 2,87 1,52 4,39 0 — 10 2 2,58 1,63 4,21 1,3 1 2,42 1,34 3,76 0 —20 2 2,1 0,64 2,74 1,19 1,02 2,21 <5 —20 — 2,04 0,6 2,64 — 6 2,37 0,99 3,36 — — — 9 — 2,66 1 3,66 — 12 21,5 4,08 4,35 8,43 — — 24 30 4,21 4,63 8,84 34 5,93 5,29 11,21 72 — 7,12 6,49 13,61 — — — — 24 — — — 80 6,26 5,43 11,69
гидратации сульфоалюмината кальция. При прокалива- нии же проб при 1000° С с выделением гидратной воды разлагается и СаСО3, содержащийся в цементе, и поте- ри массы при этой температуре содержат массу улетучи- вающегося СО2. Следует заметить, что независимо от тщательности выполнения работ химический анализ не позволяет точно разделить воду в соответствии с теоре- тической классификацией ее в цементном камне. Напри- мер, в химически связанную воду включается вода, ад- сорбированная в кристаллической решетке. Поэтому будем называть высушенную при 105° С воду слабосвязап- ной, а полученную при прокаливании при 1000° С — проч- носвязанной. Гидратная вода удерживается Са(ОН)2, кристаллогидратная (сульфоалюмината кальция) в боль- шей части слабо связана и легко удаляется при темпе- ратурах начиная с G0° С (с 31 до 12 молекул). При температурах ниже 0° С гидратация цемента протекает с убывающей интенсивностью. Так, при тем- пературе —2°С количество химически связанной воды получилось у обоих портландцементов равным 4%, а при —5° С — равным 1,5%. Соответственно снижается сте пень гидратации. В первом случае с 26 до 7,6%, во втором с 18,5 до 4,8%. При температурах —10° С и ни- же у свсжсизготовлеппых образцов гидратация цемента незначительна, и полученные результаты связаны с ме- тодикой проведения анализов. В цементном тесте и бе- тоне, замороженных после 12—24 ч и более, отмечается явное углубление процессов гидратации. Даже при тем- пературах 10 и 20° С вместо 1,5% связывается око- ло 4- 5% воды. Па морозе накапливаются гелевые но- вообразования, которые затем интенсивно выкристалли- зовываются при наступлении положительных температур. Данные по гидратации цемента па морозе у образцов, испытывавшихся вскоре после изготовления, хоро- шо согласуются с результатами, полученными при изу- чении тепловыделения тех же цементов. Из исследова- ний, проведенных по общей программе работ в Ленин- градском политехническом институте, установлено, что при 0°С за 10 сут выделяется 59% тепла от тепловыде- ления при +20° С. При температуре —10° С эффект теп- ловыделения в свсжеизготовленном бетоне совершенно не обнаружен. При введении же химических добавок, по- нижающих точку замерзания жидкой фазы, гидратация 71
и тепловыделение цемента происходит при более нйзких отрицательных температурах, что широко используется строителями Советского Союза при зимнем бетониро- вании. Образцы, изготовленные па тех же портландцемен- тах, были исследованы рентгеноструктурным анализом па степень гидратации после 12 и 24 ч и 28 сут нормаль- ного твердения, а также после замораживания в различ- ном возрасте при температурах —2, -5, -10 и —20° С. Результаты исследований этой серии образцов приведе- ны в табл. 2.8. Через 12 ч после затворения количество прогидратировавшего C3S для белгородского цемента составляло 10,5%, через сутки—19,6, через трое су- ток — 48, через 28 сут — 59,6 и, наконец, через 90 сут — 64,6%. У воскресенского цемента степень гидратации в суточном возрасте составляла 23%, а к 28 сут увеличи- лась до 52,6%. Как и следовало ожидать, воскресенский цемент, содержащий более высокий процент алюминат- ной составляющей, в раннем возрасте несколько быст- рее гидратируется, а к 28-суточному возрасту отмечено некоторое снижение количества прогидратированных ча- стиц по сравнению с белгородским цементом. Наблюдается еще некоторое увеличение степени гид- ратации образцов, вынесенных на мороз сразу после приготовления при температуре —5° С и выдержанных 28 сут при этой температуре (на 7,6% у образцов из белгородского цемента и на 4,8% —из воскресенского). Совсем незначительное (2%—для белгородского и 1% для воскресенского цемента) увеличение степени гидра- тации получилось при температурах —10 и —20° С. Из той же таблицы видно, что при температуре —2° С гид- ратация протекает значительно быстрее, чем при —5° С, и составляет для белгородского цемента 26% и для вос- кресенского— 18,5%. Это уже значительная величина, которая хорошо согласуется с результатами, полученны- ми при других методах исследования. Для наглядности результаты определения степени гидратации при нормальной и отрицательных темпера- турах портландцемента Воскресенского завода представ- лены на рис. 2.2. Из рисунка видна кинетика гидратации цемента при нормальной температуре с некоторым ускорением в пер- вые сутки после оттаивания. К 28 и 90 сут степень гидратации этих образцов оказалась несколько ниже, 72
ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР Н/\ СТЕ ГИДРАТАЦИИ ЦЕМЕНТА (ПО ДАННЫМ РЕНТГЕНОАНАЛИЗА) Условия твердения Степень гидратации цементного теста нормальной густоты, % белгородский портландцемент воскресенский портландцемент 12 ч нормального хра- нения 10,5 — 24 ч нормального хра- нения 19,6 23 28 сут нормального храпения 59,6 52,6 Заморожены сразу пос- ле приготовления, выдер- жаны 28 сут при —20°С и испытаны сразу после оттаивания 2 I Заморожены сразу пос- ле приготовления, выдер- жаны 28 сут при —10°С и испытаны сразу после оттаивания 2 1,3 Заморожены сразу пос- ле приготовления, выдер- жаны 28 сут при —5° С и испытаны сразу после оттаивания 7,6 4,8 Заморожены сразу пос- ле приготовления, выдер- жаны 28 сут при —2°С и испытаны сразу после оттаивания 26 18,5 Заморожены через 12 ч после приготовления, вы- держаны 28 сут при —20° С и испытаны сра- зу после оттаивания 21,5 Заморожены через 24 ч после приготовления, вы- держаны 28 сут при —20° С и испытаны сра- зу после оттаивания 30 34 Заморожены через 24 ч после приготовления, вы- держаны 28 сут при —5° С и испытаны сразу после оттаивания 40 73
Рис. 2.2. Кинетика гидратации воскресенского портландцемента при разных температурных условиях после замораживания и дальнейше- го 28-суточного твердения в нормальных условиях / — твердение в течение 28 сут в нормальных условиях; 2, 3, 4, 5 —заморажи- вание в течение 28 сут при температурах соответственно —2, —5, —10, —20° С Рис. 2.3. Термограм- мы образцов а—изготовленных на бел- городском цементе: 1 28 сут нормального твер- дения; 2 — заморожены сразу при i=—2° С и вы- держаны 28 сут на мо- розе; 3 — то же, при / = ~—5° С; 4 — заморожены сразу при t----10° С и выдержаны 28 сут на мо- розе; 5 — то же, при t = =—20° С; 6 — 12 ч нор- мального хранения; 7 — заморожены через 12 ч при /=—20° С и выдержа- ны 28 сут на морозе; б — изготовленных на воскресенском цементе: Г — 28 сут нормального твердения; 2' — заморо- жены сразу при t=—2° С и выдержаны 28 сут на морозе; 3' — то же, при t=—5° С; 4' — то же, при t=—10° С; 5'— то же, при /=—20’ С; 6' — 24 ч нормального твердения; Т — заморожены через 24 ч при /=—5° С и вы- держаны 28 сут на мо- розе; 8' — то же, при / = —20° С
чем у образцов нормально твердевших. В связи с этим был проведен специальный проверочный опыт, резуль- таты по которому приводятся несколько ниже. Была произведена тщательная проверка влияния влажност- ного режима выдерживания образцов при длительном хранении. Параллельно с определением количества связанной воды методом химического анализа определялась поте- ря воды путем дифференциально-термического анализа, прокаливанием при 1000° С проб, трижды обезвоженных 100%-ным спиртом, а затем обработанных эфиром и высушенных при 105° С. Исследуемые пробы приготовлялись на тех же бел- городском и воскресенском цементах. Результаты этих исследований изображены на рис. 2.3. Заметим, что величины связывания воды цемен- тами в этом случае получены большими, чем при хими- ческом анализе, вследствие того, что пробы предвари- тельно не подсушивали при температуре 105° С. Хими- ческий и дифференциально-термический анализы показывают, что взаимодействие цемента с водой начи- нается сразу после его затворения. При дальнейшей гидратации цемента количество прочно связанной воды увеличивается и составляет при химическом анализе белгородского цемента 0,17% через 15 мин после затворения; 0,47% через 6 ч; 1% через 12 ч и через сутки уже 3,01%. В этих определениях исключена прочносвязанная во- да, содержащаяся в цементном порошке до затво- рения. У воскресенского цемента в первые часы быстрее протекает процесс гидратации, чем у белгородского. Увеличение гидратации цементов на морозе можно объ- яснить дополнительным связыванием воды гидросилика- тами кальция высокой дисперсности, образующимися при пониженных температурах в процессе заморажива- ния и оттаивания. После выдерживания при температу- ре —2° С в течение 28 сут связывание воды достигло 10 и 11,4% для белгородского и воскресенского цементов (кривые 2), а при температуре —5° С снизилось до 5,7% (кривые 3). А на термограммах образцов, заморожен- ных сразу после приготовления при температурах —10 и —20° С, эндотермический эффект разложения Са(ОН)2 совсем отсутствует (рис. 2.3, кривые 4 и 5, для обоих цс- 75
Ментов). Последнее свидетельствует о прекращении при этих температурах реакций гидратации. Чтобы лучше разобраться в некоторой разнице, каса- ющейся степени гидратации цементных образцов, под- вергавшихся замораживанию вскоре после изготовления, а затем твердевших 28 сут в нормальных условиях, с об- разцами, твердевшими все 28 сут в нормальных усло- виях, были проведены два дополнительных опыта. В первой серии были приготовлены образцы из минера- лов цементного клинкера C3S и С3А и из двух высоко- алюминатных клинкеров портландцементов Спасского и Николаевского заводов. Образцы были заморожены сразу после приготов- ления при температуре —5° С, выдержаны при этой тем- пературе 7 сут, затем находились 28 сут в нормальных условиях. Часть образцов из этих минералов и клинке- ров хранилась в нормальных условиях. Как показали результаты опыта, представленные в табл. 2.9, степень гидратации замороженных образцов из С3А почти сов- сем не отличается от эталонных, а клинкеров Николаев- ского и Спасского заводов отличается незначительно (всего на 1—2% по данным рентгеновского анализа). Степень же гидратации образцов из C3S уменьшается на 8% по сравнению с эталонными. Таким образом, можно сказать, что на последующую гидратацию С3А и клин- керов с высоким содержанием С3А замораживание поч- ти не оказывает влияния. Для второй серии опытов были приготовлены образ- цы на белгородском цементе. Часть их твердела 28 сут в эксикаторе при 20° С над водой и в воде, другая часть замораживалась сразу после приготовления при —20° С и выдерживалась при этой температуре в течение 7 сут, а затем твердела также в эксикаторе при 20° С над во- дой и в воде. При сравнении данных этих исследований оказалось, что образцы, твердевшие при положительной температуре в воде, имеют несколько большую степень гидратации, чем образцы, выдержанные 28 сут над во- дой; степень гидратации образцов, твердевших после размораживания в эксикаторе над водой, меньше, чем у твердевших все время в эксикаторе под водой, а у об- разцов, выдержанных после оттаивания в воде, — нес- колько больше, чем у образцов, выдержанных в воде при положительной температуре 20° С. Из изложенного выше можно сделать вывод, что за- 76
Таблица 2.9 ВЛИЯНИЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ НА ПОСЛЕДУЮЩУЮ СТЕПЕНЬ ГИДРАТАЦИИ МИНЕРАЛОВ C3S, С3А И КЛИНКЕРОВ НИКОЛАЕВСКОГО И СПАССКОГО ЗАВОДОВ Условия твердения Степень гидратации по количеству про- гидратирова вшего C3S, % Количество прочно- связанной воды по данным химического анализа, %• (и. п. п.** 1000) Степень гидратации C3S за 28 сут нормально- го хранения 62,5 11,55 То же, замороженного сразу после приготовле- ния при —5° С, хранив- шегося 7 дней на морозе и 28 сут в нормальных условиях 54,2 9,62 Степень гидратации С3А за 28 сут нормаль- ного хранения 67,5 25,. То же, замороженного сразу после приготовле- ния при —5° С, хранив- шегося 7 дней на морозе и 28 сут в нормальных условиях 67 25,4 Образцы из николаев- ского клинкера 28 сут нормального хранения 81 13,82 То же, замороженные сразу после приготовле- ния при —5° С, хранив- шегося 7 сут на морозе и 28 сут в нормальных условиях 79,8 13,3 Образцы из спасского клинкера 28 сут нормаль- ного хранения 85,5 То же, замороженные сразу после приготовле- ния при —5° С, хранив- шиеся 7 диен на морозе и 28 сут в нормальных условиях 83,4 15,19 * Без учета воды, содержащейся в минерале или клинкере до затворения. ** Потери при прокаливании. 77
мораживание положительно влияет на степень гидрата^ ции образцов после оттаивания ввиду лучшего раство- рения извести и большей проницаемости оболочек вокруг цементных зерен при пониженных температурах. Однако большое влияние на степень гидратации оказы- вают последующие условия хранения образцов, так как из-за значительной потери влаги на морозе, и особенно в период оттаивания и последующего твердения даже в камере нормального хранения, степень гидратации об- разцов в дальнейшем может сильно уменьшаться (что и было установлено в первых опытах), особенно в об- разцах из цементов с низким содержанием алюминат- ных составляющих. В образцах с большим содержанием алюминатных составляющих не обнаружено уменьше- ние степени гидратации или оно очень незначитель- но. Этот факт объясняется, очевидно, более быстрым протеканием процессов взаимодействия алюминатных составляющих с водой, а также их способностью легко отдавать воду в окружающую среду при уменьшении ее влажности. На основании проведенных исследований можно сде- лать следующие выводы. Взаимодействие цемента с водой начинается сразу же после его затворения, о чем свидетельствует наличие прочносвязанной воды, определяемое методом химиче- ского анализа. В дальнейшем на протяжении всего вре- мени количество этой воды постепенно увеличивается. Особенно интенсивное развитие процесса гидратации цементов наблюдается после 12 ч нормального тверде- ния. Рентгеновский качественный анализ также показы- вает, что с этого возраста отмечается заметное увеличе- ние гидроокиси кальция в новообразованиях. Наибольшее связывание воды цементом происходит уже к трем суткам нормального хранения, когда количе- ство прочносвязанной воды и количество прогидратиро- вавшего C3S составляет около 70—80% этих величин в возрасте 28 сут. Гидратация и тепловыделение цемента, а следова- тельно, и твердение бетона, хотя и весьма замедленно, но продолжаются при небольших отрицательных темпе- ратурах. В цементном тесте (и бетоне), замороженном сразу, а также через 3, 6, 9 ч после приготовления при температуре ниже —10° С, гидратация и тепловыделение (а также набор прочности) практически прекращаются. 78
С целью проверки влияния режима влажности сре- ды при определении истинных величин, характеризую- щих степень гидратации, был проведен опыт с образца- ми из белгородского цемента. Образцы находились в этом случае в эксикаторе при t=20° С над водой или в воде. Часть из них подвергалась замораживанию при t=—20° С в течение 7 сут, а затем твердела в течение 28 сут при нормальной температуре. Вторая часть из той же серии образцов все 28 сут находилась при нормаль- ной температуре в воде или над водой. Результаты рентгенов- ского количественного ана- лиза приведены на рис. 2.4. Как видно из приведенных в диаграмме данных, сте- пень гидратации цементов, подвергавшихся заморажи- ванию в раннем возрасте, в последующем при твердении в условиях положительных температур и достаточной влажности среды сущест- венно не отличается от сте- пени гидратации, выдержан- ных все время при положи тельной температуре. Опыт показал, что при твердении образцов, после пребывания на морозе, в по- мещении или в камере с не- достаточной влажностью сре Рис. 2.4. Диаграмма степени гидратации образцов, твердев- ших в течение 28 сут в экси- каторе /, 2 — соответственно, над водой и в воде при /=20° С; 3, 4 — то же, после 7 сут замораживания при /=—20° С I, что имело место в ранее описанном опыте (см. рис. 2.2), степень гидратации це- мента может снижаться вследствие потери части капил- лярной воды. Установлено, что при выдерживании ана- логичных образцов после пребывания па морозе в воде степень гидратации увеличивается. При этом в высокоалюминатных цементах отстава- ние в степени гидратации замороженных образцов при последующем выдерживании в обычных воздушно-влаж- ных условиях не наблюдается или оно весьма незначи- тельно. На основании полученных результатов качественно- го рентгеноанализа сделано заключение, что фазовый 79
состав новообразований у образцов, подвергавшихся за- мораживанию, ие отличается от их контрольных образ- цов, все время твердевших в нормальных условиях. Сле- довательно, с точки зрения химического анализа, замо- раживание влияет лишь на кинетику гидратации, а не на качественную сторону происходящих процессов. Изложенные выше результаты исследований о влия- нии отрицательных температур на гидратацию цемента были получены в лаборатории в результате разработки кандидатской диссертации Л. А. Беловой [3] в течение 1970—1973 гг. Из более ранних работ по этому вопросу приведем лишь данные, полученные при разработке темы о твер- дении легких бетонов в различных температурно-влаж- ностных условиях. Гидратация цемента изучалась по количеству химически связанной воды путем измерения потерь при прокаливании проб при 600° С, а также по количеству свободной СаО, определенной этиленглико- левым методом. Кроме того, был сделан дифференциаль- но-термический анализ, при котором определялись по- тери веса в пределах эффекта дегидратации Са(ОН)2 и общая потеря массы при температуре до 1000° С [34]. Исследования проводились на портландцементе Но- во-Здолбуновского завода, содержащем C3S — 60%; C2S — 18%; С3А — 8%; C4AF—13%. Приготовленные образцы размером 7Х?Х7 см из цементного теста с В/Ц=0уЗ сразу помещались в холодильные камеры с температурами —5 и —20° С на разные сроки. Часть образцов после семисуточного пребывания на морозе вы- носили в камеру нормального хранения (/ = 20° С, W = = 90%), где они твердели еще 28 и 60 сут. Одновремен- но изготовлялись контрольные образцы, которые находи- лись в камере нормального хранения 28 и 60 сут. Про- бы обезвоживали спиртом, после чего протирали филь- тровальной бумагой и размельчали в топкий порошок. Для химического анализа образцы подвергали сушке при 100°С. В подготовленной пробе определяли потери при прокаливании, свободную СаО, а также СО2 пря- мым весовым методом. Результаты этих анализов приведены в табл. 2.10. Из полученных данных следует, что содержание хи- мически связанной воды при отрицательных температу- рах, особенно при —20° С, сравнительно велико. Очевид- но, это объясняется тем, что сюда включается вода, SO
Таблица 2.10 ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ГИДРАТАЦИИ) ЦЕМЕНТА Условия твердения Химически связанная вода (п.п.п. при С00° С) Са^своб СО2 Расчет- ная сум- марная СаО 7 сут в камере нор- мального хранения 10,11 6,85 3,5 9,6 28 сут в камере нор- мального хранения 11,5 7,1 4,6 10,71 60 сут в камере нор- мального храпения 15 7,5 11,42 28 сут в холодильнике при i = —5° С 3,78 2,38 3,09 4,9 28 сут в холодильнике при/ =—20° С 2,31 0,75 2,47 2,69 7 сут при 1 =—5° С, после чего 28 сут в нор- мальных условиях 9,84 5,84 5,82 10,41 7 сут при t=—20° С, после чего 28 сут в нор- мальных условиях 9,12 2,2 8,89 9,17 7 сут при t=—5° С, после чего 60 сут в нор- мальных условиях 15,12 4,79 7,52 10,69 7 сут при t=—20° С, после чего 60 сут в нор- мальных условиях 15,29 3,46 8,33 10 химически связанная цементным порошком, частично прогидратированным до затворения цементного теста. В то же время можно отметить, что цемент был взят высокоалитовый, алюминатный тонкомолотый. Проведение исследований гидратации цемента, так же как н набора прочности бетона, при отрицательных температурах связано с охлаждением и оттаиванием об- разцов. В этот период методически трудно точно учесть значение протекающих процессов. После пребывания образцов в камере при t = —5° С химически связанной воды и свободной СаО получилось значительно больше, чем при —20° С. Это указывает на безусловное протека- ние процессов гидратации цемента при такой темпера^ туре, как —5° С. 6-23 81
Таблица 2.11 ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ГИДРАТАЦИЮ ЦЕМЕНТА ПО ДАННЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Условия твердения Адсорбционная и гидратная вода Вода, входя- щая в Са(ОН); Потери при про- каливании при 600° С СаСОз Общие потери массы при 1000° С 28 сут в камере нор- мального хранения 6 4 10 4 14 60 сут в камере нор- мального хранения 8,5 6,5 15 5 20 28 сут в холодильнике при /=—5° С 2 1,5 3,5 3,5 7 28 сут в холодильнике при t=—20° С 1 1 2 1 3 7 сут при i=—5° С, после чего 28 сут в нор- мальных условиях 9 2 7 18 7 сут при t=—20° С, после чего 28 сут в нор- мальных условиях 6 4 10 10 20 7 сут при t=—5° С, затем 60 сут в нормаль- ных условиях 9 6 15 5 20 7 сут при t = —20° С, затем 60 сут в нор- мальных условиях 10 5 15 6 21 Данные потери массы в пределах дегидратации Са(ОН)2 согласуются с результатами, полученными при дифференциально-термическом анализе. Некоторая раз- ница объясняется тем, что при приготовлении проб для химического анализа после обезвоживания спиртом их сушили при 100° С, а при дифференциально-термическом анализе этого не делали. Результаты исследований гид- ратации цемента, по данным дифференциально-термиче- ского анализа, приведены в табл. 2.11. Из таблицы видно, что, так же как и по данным хими- ческого анализа, наблюдается более существенная гид- ратация проб при отрицательной температуре —5° С, чем при —20° С. При отрицательных температурах кар- 82
Таблица 2.12 СТЕПЕНЬ ГИДРАТАЦИИ ЦЕМЕНТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ЧЕРЕЗ 28 СУТ (ТЕСТО 1 О, ПРИ В/Ц=0,25) Добавка Степень гидратации, %, при температуре, еС вид количество в % от массы цемента 20 0 —10 —20 Без до- бавки — 66 39 20 1 NaNO2 2 10 64 67 44 43 43 42 17 27 к2со3 10 55 41 46 37 бонизация СаО повышается за счет поглощения угле- кислоты воздуха. После замораживания бетона в раннем возрасте при твердении его в последующем при положительных тем- пературах цементы сохраняют способность химически связывать столько же и даже (в некоторых случаях) больше воды, чем в образцах, не подвергавшихся замо- раживанию. Однако, как это будет показано ниже, несмотря па протекающие в последующем процессы гидратации и на- личие новообразований, после раннего замораживания бетон обычно имеет потери прочности по сравнению с нормально твердеющим. Это связано с условиями фор- мирования структуры цементного камня и бетона при замерзании в раннем возрасте. Поэтому кинетику и сте- пень гидратации цемента нельзя рассматривать вне свя- зи с условиями формирования структуры, со степенью монолитности цементного камня и бетона. Скорость и степень гидратации цемента можно повы- сить путем введения химических добавок, понижающих точку замерзания жидкой фазы. В табл. 2.12 приведены данные о степени гидратации трехкальциевого силиката цемента с добавкой нитрита натрия и поташа, получен- ных И. И. Комаровым, Ю. М. Буттом и В. М. Колбасо- вым в Московском химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева. Пробы исследовались методом количественного рентгеноанализа. Портландцемент применялся состава: C3S —64,43%; C2S — 15,8%; С3А —6,04%; C4AF— 6* 83
5,82% при топкости помола 3150 см2/г. Степень гидра- тации цемента устанавливалась по трехкальциевому си- ликату. При 20°С добавка поташа в количестве 10% замедляет гидратацию цемента, при 0° она протекает с такой же скоростью, что и у цементов без добавки и с добавкой нитрита натрия. При отрицательной темпе- ратуре -10 п 20°С с наибольшей скоростью гидрата- ция цемента протекает при добавке поташа. Нитрит натрия даже и при введении добавки всего лишь в коли- честве 2% обеспечивает достаточно интенсивное разви- тие гидратации цемента. Степень и скорость гидратации цементов при отрица- тельных температурах с химическими добавками зави- сит от температуры, количества и вида вводимых доба- вок, минералогического состава и тонкости помола це- мента и других факторов. Несмотря на достигнутые в последние годы успехи в области изучения механизма действия химических до- бавок на свойства бетонных смесей и бетона, многие вопросы этой проблемы еще недостаточно разработаны. Должны быть расширены исследования по применению химических добавок при зимнем бетонировании, кото- рыми заняты ученые как в СССР, так и за рубежом. ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ЦЕМЕНТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Реакция гидратации клинкерных минералов и цемен- та, вследствие которой происходит схватывание и твер- дение их, сопровождается тепловыделением. Опытами установлена определенная связь между минералогиче- ским составом, гидратацией, тепловыделением и тверде- нием цементов. Процессы тепловыделения находятся в зависимости от свойств цемента, содержания его в бетоне, времени, температуры, водоцементного отношения и других фак- торов. Тепловыделение, являясь прямым следствием гидратации цемента, характеризует развитие процессов твердения бетонов и растворов и при прочих равных условиях определяет их технические свойства. Оно мо- жет оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на формирование структуры и технических свойств бетонов и растворов. Даже при зимнем бетони- 84
ровании массивных конструкций часто возникает вопрос о регулировании процессов тепловыделения, чтобы из- бежать вредного термонапряженного их состояния. Раз- работанный и широко применяемый в нашей стране при производстве бетонных и железобетонных работ в зим- них условиях метод «термоса» в значительной мере ос- нован на учете в теплотехнических расчетах тепловыде ления в твердеющем бетоне. Исследования по тепловыделению цементов проводи- лись уже более 50 лет и проводятся в настоящее время во многих странах. У пас в СССР эти исследования бы- ли главным образом связаны с гидротехническим строи- тельством. Хорошо известны работы, проводимые, начи- ная еще с 20-х годов, А. А. Байковым, В. А. Киндом, С. Д. Окороковым, Л. С. Вольфсоп, В. Н. Юнгом, Ю. М. Буттом, В. С. Лукьяновым [29]. В 1919 г. И. А. Киреенко сделал попытку рассчитать охлаждение бетона на морозе с учетом тепловыделения цемента [22]. Автором в 1935 г. на экспериментальной основе были сопоставлены методы расчета охлаждения бетона на морозе с учетом тепловыделения, предложен- ные И. А. Киреенко, Б. Г Скрамтаевым, В. С. Лукьяно- вым и др. В последние годы Ленинградским политехническим институтом проводятся работы по определению тепло- выделения цемента в бетоне. Результаты этих исследо- ваний обобщены в монографии И. Д. Запорожца, С. Д. Окорокова и А. А. Парийского [17]. Этим инсти- тутом проведены интересующие строителей исследова- ния по тепловыделению при электроразогреве бетона до 70° С, при нормальных, пулевых и отрицательных (до —10° С) температурах. Работы проводились совместно с НИИЖБ. Параллельно с исследованиями тепловыде- ления цементов в бетоне в НИИЖБ проводились рабо- ты по изучению гидратации цементов, а также по твер- дению бетонов при тех же положительных и отрицатель- ных температурах. Из работ зарубежных авторов в области определе- ния кинетики выделяемого тепла цементами различного минералогического состава с одновременным определе- нием роста их прочности следует упомянуть прежде всего исследования В. Лерча и Р. Богга в США, опубли- кованные в начале 30-х годов. Они впервые изучили теп- ловыделение не только цементов определенного состава, 85
ho и всех основных минералов, входящих в состав 11орт- ландцементного клинкера. Вопросами тепловыделения в бетонных массивах в 1929 г. занимались X. Девис и О. Трокселль. В 40-е.годы в США интересные исследо- вания в области тепловыделения цемента проведены Г Вербеком и С. Фостером. На основании работ, выполненных в ФРГ, А. Майер предложил классификацию цементов по количеству вы- деляемого тепла. Эти данные приведены в рекоменда- циях РИЛЕЛ4 по зимиему бетонированию, опубликован- ных на русском, английском, французском и немецком языках. В СССР разработана более практичная класси- фикация цементов по кинетике и количеству выделяемо- го тепла при твердении бетонов на цементах различных видов и марок. Во Франции М. Вепюа проведены об- ширные исследования по тепловыделению портландце- ментов с различными добавками. Эти работы осуществ- лялись по плану франко-советского научно-технического сотрудничества с 1969 по 1972 г. При обобщении проведенных исследований ученые пришли к выводу, что, как и всякая химическая реак- ция, гидратация цемента начинается с физического яв- ления — растворения минералов. Следствием этой хими- ческой реакции является тепловыделение. Химическая реакция гидратации является причиной, а тепловыделе- ние — следствием ее протекания. В факте тепловыделения в бетоне скрыто противоре- чие, которое выражается в том, что нагревание конст- рукции может быть полезным для создания благопри- ятных условий твердения и в то же время оно может вызвать напряженное состояние, нарушение ее структур- ной сплошности. В зимнее время конструкции средней, массивности могут быть выдержаны по методу термоса,, очень массивные конструкции не только при положи- тельных, но и при отрицательных температурах наруж- ного воздуха, без принятия специальных мер, могут1 приобрести поверхностные трещины, снижающие их дол- говечность. Чтобы во всех случаях направленно использо- вать тепловыделение, мы должны владеть точным: расчетом тепловых полей в бетонных и железобетонных, конструкциях, обеспечить равномерность их распределе- ния. Однако на пути решения этой задачи имеются боль- шие трудности, связанные с разнообразными условиями/ распределения тепла и влаги внутри бетона, значитель- 86
ними их градиентами, а зачастую различной направлен- ностью движения тепла и влаги. Вследствие изменения физических констант бетона во времени и нестационарное™ потоков и тепломассо- обмена с внешней средой теоретические расчеты значи- тельно усложняются. Многие вопросы еще подлежат экспериментальному исследованию по строго обоснован- ным научным методикам, с глубоким пониманием при- менения законов термодинамики. В этой области больше, чем в какой-либо другой, следует применять метод диа- лектического рассмотрения сложного комплекса явлений и не допускать механического приема расчета, оторван- ного от физического смысла протекающих процессов. Расчеты для строительной практики должны быть пре- дельно простыми и ясными, лько тогда они получат широкое применение. Вопреки способу предварительной гидратации цемен- та, предложенному в США П. Бейтсом в 1937 г., авто- ром был предложен и разработан новый способ, описан- ный в книге «Температурный фактор в твердении бето- на». Вместо предварительной гидратации цемента путем обработки его в барабане паром и использования в даль- нейшем в массивных конструкциях после подсушки и по- мола (метод Бейтса) автор предложил гасить часть теп- ла, выделяемого цементом, путем обработки его в спе- циальных гидраторах. Затворение цементной суспензии на холодной воде и длительное выдерживание се с пере- мешиванием в гидраторах снижает тепловыделение нс за счет снижения активности цемента, а, наоборот, одно- временно повышает активность цемента и прочность бе- тона, особенно па разрыв. Автором совместно с С.,Ф. Бугримом и Е. С. Стани- славовой предложен способ производства работ по ук- ладке бетона в контакте с вечномерзлым грунтом с ис- пользованием тепловыделения [66]. В данном случае теплота гидратации цемента и тепло, выделяемое при фазовом переходе воды из жидкого состояния в твердое, используется для твердения бетона при температурах мерзлого грунта от —0,2 до —2° С. При более низких температурах необходимо вводить нротивоморозные до- бавки в малых количествах. Первые нормы тепловыделения различными цемен- тами при нормальной температуре в течение 28 сут были приведены в Технических условиях по производству же- 87
оо Таблица 2.13 со ТЕПЛОТА ТВЕРДЕНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНЫХ МИНЕРАЛОВ И ИХ СМЕСЕЙ Минералогический состав, % Тепловыделение, кДж/кг c3s C2S С.- CtAF фактическое расчетное 3 сут | 28 сут | 3 мес 3 сут | 28 сут | 3 мес Смеси из C3S и C2S 100 75 25 322,4 217,7 389,4 255,4 456,4 355,9 247 318,2 381 50 50 — — 171,7 209,4 305,7 175,9 251,2 305,7 25 75 — 129,8 175,9 217,7 100,5 180 226,1 — 100 — — 25,1 108,9 150,7 — — — Смеси из C3S и С3А 100 — 322,4 389,4 456,4 — — 95 — 5 334,9 418,7 477,3 330,8 410,3 477,3 85 — 15 — 452,2 540 548,5 347,5 448 515 75 — 25 — 456,4 577,8 607,1 368,5 485,7 552,7 — 100 — 502,4 778,7 833,2 — — — Смеси из C3S и C4AF 100 322,4 389,4 456,4 — 95 — — 5 247 376,8 410,3 314 389,4 452,2 85 — — 15 238,7 343,3 401,9 293,1 385,2 448 75 — 25 200,9 309,8 381 276,3 381 433,8 — — 100 133,9 364,3 397,8 — — —
лезобетонных работ в зимнее время в начале 30-х гоДоё. За истекшие 40 лет качество цементов улучшилось, мар- ки применяемых бетонов повысились п накопились опыт- ные данные о тепловыделении цементов при различных температурах. Поэтому ниже приводятся новые практи- ческие данные для цементов, которые необходимо знать при выборе методов зимнего бетонирования и режимов тепловой обработки. С. Д. Окороков провел обширные исследования по определению тепловыделения отдельными минералами н двумпнеральпыми смесями. Тепловыделение определя- лось по разности тсплот растворения в негидратирован- ном и гидратированном состояниях. Полученные им ре- зультаты приведены в табл. 2.13. В этой таблице помимо фактического тепловыделе- ния, установленного экспериментально, дается еще рас- четное тепловыделение, подсчитанное для смесей мине- ралов по правилу аддитивности. Из табл. 2.13 видно, что при гидратации С3А и C3S отличаются не только высоким, ио и быстрым тепловы- делением. С4ЛГ и особенно C2S являются малотермич- ными и выделяют тепло значительно медленнее. Отсюда следует, что для получения низкотермичных портландце- ментов необходимо уменьшать в них содержание С3А и C3S за счет повышения содержания C2S и алюмофер- ритной фазы. И, наоборот, для получения цементов с вы- соким тепловыделением необходимо увеличивать содер- жание трехкальциевого алюмината и трехкальциевого силиката. В институте Гидропроект С. В. Шаркуповым и А. С. Магитоном экспериментально изучался вопрос тепловыделения бетона в адиабатических условиях 10 различных цементов. Цементы эти были взяты с Ток- тогульской, Ингурской, Нурекской, Усть-Илимской гид- ростроек, а также со строящихся объектов в Сирии, Вьетнаме, Тунисе, Афганистане. На рис. 2.5 приведены кривые удельного тепловыделения некоторых видов це- ментов в бетоне производственных составов в течение 14 сут, а в табл. 2.14 — характеристики бетонов, приго- товленных на этих цементах. К 14-суточному сроку це- менты выделили тепла от 250 до 335 кДж/кг. В течение первых трех суток относительное тепловыделение значи- тельно отличалось у бетонов на различных цементах. Как видно из перечня цементов, расход их па 1 м3 89
Таблица 2.14 ХАРАКТЕРИСТИКА БЕТОНОВ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ НА РАЗЛИЧНЫХ ЦЕМЕНТАХ (К РИС. 2.5) № кривых Цемент Характеристика бетонов расход цемента, кг в/ц температу - ра смеси, °C 1 Портландцемент М 300 Красноярского завода 180 0,75 14 2 То же, Душанбинского завода 185 0,75 25 3 То же, Кувасапского завода 210 0,‘60 15 4 То же, «Шейх-Саид» (Сирия, ГЭС «Табка») 240 0,55 22 5 То же, с пониженным содержанием C3S 225 0,65 17 6 То же, пуццолановый Кувасайского завода 215 0,56 17 7 То же, Руставского за- вода 270 0,43 16 8 То же, «Поли-Хумрн» (Афганистан, ГЭС) 180 0,85 17 9 То же, Нагли Карруба (Тунис) 270 0,5 20,5 10 Шлакопортландцемент марки 200 Красноярско- го завода 210 0,65 10 составлял от 180 до 270 кг, что характерно для гидро- технических бетонов. Во ВНИПИТеплопроекте исследована зависимость тепловыделения цемента от температуры. Сотрудниками этого института И. Б. Заседателсвым и Ф. М. Мамедо- вым разработан метод экспериментального определения тепловыделения в электрическом дифференциальном ка- лориметре. В автоклаве создавались различные темпе- ратуры и давления с помощью сжатого газа, что обеспе- чило возможность раздельно выявить эти два фактора. Кинетика тепловыделения q исследовалась в диапазоне температур от 20 до 174° С. Результаты исследований портландцемента состава: C3S — 64%; C2S—14%; 90
С3А — 4% приведены на рис. 2.6. Смесь цемента с моло- тым песком была приготовлена при В/Ц = 0,8. Опыты показали, что давление оказывает незначи- тельное влияние на выделение тепла, решающим факто- ром является температура, при которой происходит гидратация цемента. В Ленинградском политехническом институте А. А. Парийским создана установка и разработана мето- дика для экспериментального определения изотермиче- Рис. 2.5. Кривые удельного тепловыделения цементов (по ГОСТ 310—60), определенного в адиабатическом калориметре па образцах бетона различных производственных составов (обозначения кривых указаны в табл. 2.14) ского тепловыделения цементных растворов и бетонов. При этом в течение всего опыта должны быть обеспе- чены два главных условия: постоянство температур твердеющего бетона и калориметрической оболочки. Расход электрической энергии, затрачиваемой па под держание температуры бетона на заданном уровне, ав- томатически учитывается прибором. В табл. 2.15 приво- дятся результаты тех исследований, которые проводи- лись по совместной программе с НИИЖБ. В ней представлены данные о тепловыделении трех типичных цементов при температурах: 0; 20; 40; 50 и 70° С. Опыт проводился в течение 10 сут, а для бетона на шлако- портландцементе — до 14 сут. Бетонная смесь имела 91
Таблица 2.15 УДЕЛЬНОЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА, БТЦ И ШЛАКО ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА в/ц Удельное тепловыделение Цемент i, °C 6 12 18 24 36 48 Портландце- мент марки: 500 300 0,52 0,6 0 20 40 50 70 71,6 6,3 37,7 159,9 196,8 18 111,4 221,1 197,6 221,9 32,7 159,9 254,2 52,8 185,9 274,2 229 252,1 БТЦ марки 600 0,52 0 20 10 10),3 8,4 58,6 191,7 2; 27,6 137,3 265,9 52,8 180,5 299,4 73,7 212,7 320,7 Шлакопорт- ландцемент марки 300 0,6 10 20 50 70 21,4 40,6 74,5 167,1 20), 1 53,2 74,9 124,1 193,4 233,2 Примечание. При температуре —10° С тепловыделения в осадку конуса 6—8 см при расходе цемента 325 кг/м3. Опыты показали, что при 0°С тепловыделение протекает достаточно интенсивно: у портландцемента за 10 сут оно составило 59% от тепловыделения при / = 20° С. Рис. 2.6. Зависимости теплоты гид- ратации цемента от температуры во времени Данные о тепловыделении в интервале температур 40—70° С приводятся впервые. Они могут быть полностью использованы при тепловой обработке бетонов. Не менее инте- ресными являются и дан- ные по определению теп- ловыделения портланд- цементом марки 500 и быстротвердеющим порт- ландцементом (БТЦ) ма- рки 600 в бетоне при В/Д=0,52. В бетон были введены в количестве 10% массы воды добав- ки хлористых солей, по таша и нитрита натрия 92
цементов, кДж/кг, в возрасте, ч 72 96 120 144 168 192 216 240 | 288 336 88,8 220,2 114,7 245,4 132,3 262,9 148,6 277,2 161,2 290,2 171,2 299,8 180 303,6 187,9 316,5 301,5 244,9 265,9 319,9 257,9 274,7 329,1 261,7 277,2 262,1 281,8 264,6 282,2 104,3 257,9 315,8 131,1 290,2 358,8 151,9 310,7 305,5 168,3 325,3 180 335,1 191,8 315,4 201, 1 352,1 209,8 357,2 79,9 99,7 153,7 211,4 245,4 99,7 117,2 167,9 220,2 252,5 113 128,9 180 228,6 254,2 123,9 141,5 190,1 234,9 255,4 133,6 151,6 197,6 241,6 256,2 111,9 159,5 201,3 1 18,6 166,2 210,6 151,9 172,9 215,2 166,2 186,3 222,3 171,2 230,7 бетоне без противоморозных добавок не обнаружено. Замедление скорости тепловыделения при t — —10° С осо- бенно велико в первые трое суток. Даже в возрасте 10 сут оно в несколько раз меньше, чем выделение тепла при 0°С без добавок. Тепловыделение в портландцементе марки 500 с тон- костью помола 3150 см2/г с добавками хлористых солей и нитрита натрия значительно меньше, чем у цемента марки 600. Тот же цемент, размолотый до тонкости 5000 см2/г, повысил активность на одну марку, т. е. стал быстротвердеющим марки 600. Однако скорость тепло- выделения его с добавками значительно возросла по сравнению с исходным цементом марки 500. Результаты этих определений для бетона с расходом цемента 325 кг/м3, ВЩ = 0,52, ОК = 6 — 8 см приведены в табл. 2.16. Наряду с данными о бетоне, изготовленном на порт- ландцементе, представляет интерес и рассмотрение дан- ных по бетону на шлакопортландцементе, а также пуц- цолановом портландцементе. Во многих странах (США, Франция, Япония и др.) достаточно широко применяют добавки в цемент не только гранулированных доменных шлаков, но и зол ТЭЦ. Приготовление шлаковых портландцементов на осно- 93
Т аб лица 2.16 УДЕЛЬНОЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ЦЕМЕНТА В БЕТОНАХ С ПРОТИВОМОРОЗНЫМИЛОБАВКАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТВЕРДЕНИЯ Темпера- Добавки Удельное тепловыделение, кДж/кг, в возрасте, ч тура, °C вид | % 21 | 48 | 72 | 120 | 168 | 192 | 240 Портландцемент 0 Без добавки 0 18 52,8 88,8 132,3 161,2 171,2 187 CaCl2+NaCl 3+7 39,8 78,7 111,8 169 207,7 221,9 245,8 К2СО3 10 54 104,7 159,1 225,7 257,5 269,2 288,5 NaNO2 10 36,8 72,4 100,5 150,3 193,9 212,7 244,9 Без добавки 0 0 0 0 0 0 0 0 — 10 CaCl2+NaCl 3+7 2,5 6,3 9,6 22,6 33,1 36 45,2 К2СО3 10 5 12,9 21,8 53,2 82,1 96,3 118,5 NaNO2 10 0 0 0,8 7,5 15,5 20,9 29,3 20 Без добавки 0 111,4 185,9 220,2 262,9 289,7 299,8 316,5 БТЦ Без добавки 0 0 0 0 0 0 0 0 —10 CaCl2+NaCl 3+7 10,5 20,9 22,6 60,3 ’82,5 90,9 108,4 К2СО3 10 10,9 23,7 40,6 78,7 112,2 126,4 145,7 NaNO2 10 0 0 5,9 36,8 68,7 82,1 105,9 20 Без добавки 0 137,3 212,7 257,9 310,7 335,8 345,4 357,2 Примечание. Добавки NaNO2 i d К2СО3 даны в % от массы цемента, СаС12 и NaCl — 1 - от массы воды.
ве гранулированных доменных шлаков известно в немец- кой промышленности с 1863 г. Позднее доменные шлаки стали широко использоваться как сырье для получения портландцемента. В настоящее время шлакопортландцемент в значи- тельном количестве производится в СССР, ФРГ, Бель- гии, Италии, Франции, Японии и в других странах. Несмотря на замедленное тепловыделение шлако- портландцемента в начальные сроки, при полной гидра- тации цемента, т. е. через длительный промежуток вре- мени, тепла выделяется приблизительно столько же, сколько и цементом без добавки шлака. Шлакопортландцемент, учитывая его тепловыделе- ние и стойкость в агрессивных средах, широко применя- ется как в зарубежном, так и в отечественном гидротех- ническом строительстве и при возведении массивных сооружений. Уже при восстановлении Днепрогэс и при сооружении Каховской ГЭС применялся бетон, изготов- ленный на шлакопортландцементе. С целью снижения тепловыделения и повышения во- достойкости бетона в отечественной и зарубежной прак- тике гидротехнического строительства еще более широ- ко применяются активные минеральные добавки (тре- пел, зола-унос и др.). Влияние добавки брянского трепела и кварцевого песка на удельное тепловыделение цементов на основе клинкера Ленинградского цементного завода им. Воров- ского было исследовано в Ленинградском политехниче- ском институте. Бетоны были приготовлены с одним и тем же расходом цемента — 250 кг/м3 при одинаковой подвижности смеси. Последнее вызывало различную во- допотребность, а следовательно, сказывалось па водоце- ментном отношении. В табл. 2.17 приведены результаты опытов при изотермическом режиме / = 20° С. Приведенные данные, подтверждающие высказыва- ния многих исследователей, показывают, что введение активной гидравлической добавки до 25% приводит к не- большому уменьшению тепловыделения. В этом случае имеет значение тонкость помола цемента и активность составляющих компонентов. С целью экономии цемента и по ряду технических свойств бетона добавка доменных шлаков к портланд- цементному клинкеру является более эффективной, чем других минеральных веществ, в том числе и активных. 95
Таблица 2.17 ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ НА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ЦЕМЕНТОВ Добавки Содержа- ние добавки. в/ц овыделгппс, с Дж/г, в ут возрас' % 2 1 8 1 4 1 5 Вез добавки 0 0,75 170,8 222,7 259,6 289,7 Брянский 25 0,79 164,1 200,9 232,8 259,6 трепел 50 0,89 117,2 144 164,1 180,9 Кварцевый 25 0,75 128,9 169,2 197,6 221,1 песок 50 0,75 107,2 135,7 154,1 170,8 Продолжение табл. 2.17 Добавки Содержа- ние добавки, % в/ц Тепловыделение, Дж/г, в возрасте, сут Снижение тепловы- деления для 7 сут, % 6 1 7 1 8 Без добавки 0 0,75 316,5 336 6 353,4 0 Брянский 25 0,79 284,7 306,5 324,9 9 трепел 50 0,89 194,3 206 216 39 Кварцевый 25 0,75 242,8 261,2 278 22 песок 50 0,75 184,2 195,95 213,5 42 Рис. 2.7. Кривые разогрева бе- тона в блоках плотины (обоз- начения кривых указаны в табл. 2.18) Сибирским филиалом ВНИИГ им. Б. Е. Веде- неева при возведении бе- тонных сооружений Крас- ноярской гидроэлектро- станции были проведены натурные исследования по разогреву бетона в бло- ках плотины. Результаты замеров температуры в центре бетонных блоков, уложенных в зимний пе- риод 1962 г., показаны на рис. 2.7. После 24-суточ- ного твердения максимальный подъем температуры в блоках составлял 31—38° С, а минимальный 16° С по сравнению с температурой при укладке. Основные ха- рактеристики блоков, применяемых цементов и др. при- ведены в табл. 2.18. 96
Таблица 2.18 ХАРАКТЕРИСТИКА БЛОКОВ (К РИС. 2.7) Номер кривой на рисунке Высота блока, м Начальная тем- пература бетон- ной смеси, СС Цемент Расход цемента, кг/м3 Дата укладки / G 7,2 Шлакопорт- 240 29/XII 2 5,5 10 ландцемепт 240 17/XI 3 3 14 240 22/XI 4 3 3 240 31/X 5 3 G 11ортл; мепт 320 26/X При бетонировании таких массивных блоков даже в зимний период времени температура бетона очень дол- го превышает температуру бетонной смеси при ее уклад- ке. Утепленная опалубка необходима главным образом для защиты от преждевременного охлаждения и про- мерзания наружных слоев бетона блоков. Утепленная опалубка способствует выравниванию температурных полей внутри бетонного массива и снижению темпера- турных градиентов между внутренними и наружными слоями бетона. Характер обменных процессов, протекающих между бетоном и окружающей его средой, во многом зависит от режима тепловой обработки. Явления тепло- и массо- переноса в процессе сушки материалов были исследо- ваны А. В. Лыковым. Для расчета протекающих процес- сов им предложена система дифференциальных уравне- ний. В бетоне из-за тепловыделения при твердении и свя- зывания воды при тепловой обработке происходят про- цессы иные, чем при сушке материалов. Влажность бе- тонной смеси выше гигроскопической, поэтому внутри элемента при температуре ниже 100° С отсутствуют фа- зовые превращения воды, имеющие место при сушке материалов. Во время тепловой обработки в изделиях из бетона за первые несколько часов выделяется значительное ко- личество тепла, которое следует учитывать в энергети- ческом балансе тепла, затрачиваемого на нагрев изде- лий. Внутри бетонной плиты за счет экзотермип цемента 7-23 97
развиваются температуры, значительно превышающие температуру среды и поверхности изделия. Вследствие этого получается отличный от расчетного режим тверде- ния и возникают значительные температурные градиен- ты, которые могут вызвать образование трещин в изде- лиях. У бетона на портландцементах тепловыделение в про- цессе прогрева может достигать таких значений, кото- рые соответствуют подъему температуры бетона за счет экзотермического тепла на 70—80° С. При этом наблю- дается неравномерность температурных полей и измене- ние влажностного режима в бетоне. Поэтому режим и длительность тепловой обработки следует назначать и регулировать с учетом саморазогрева бетона. На рис. 2.8 изображено изменение температуры бе- тона во времени в плитах толщиной 24 см, прогреваемых в камере при температуре 80° С. Как это показано в ра- боте [17], немассивные конструкции можно прогревать при температуре 80° С не более 3—4 ч. Дальнейший про- грев плит или подобных элементов может производиться Рис. 2.8. Изменение во времени температуры бе- тона на обычном порт- ландцементе в различ- ных сечениях железобе- тонной плиты толщиной 24 см 0, 1, 2 — соответственно, в центре, в одной четверги толщины и на поверхности плиты; 3 — температура сре- ды в камере без подведения тепла или в утепленных штабелях, осу- ществляя двухстадийный прогрев. При прогреве массив- ных элементов возникает вопрос о скорости охлаждения бетона и снижении температурных градиентов. Для учета тепловыделения при тепловой обработке бетонных и железобетонных изделий и конструкций мо- гут быть использованы данные, полученные Л. И. Чу- мадовой при исследовании шести портландцементов 98
Таблица 2.19 ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ УДЕЛЬНОЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ЦЕМЕНТОВ В БЕТОНАХ, кДж/кг Температура твердения, °C Срок твер- дения, ч Цементы алексеев- ский белгород- ский ленин- градский ВОЛЬ- СКИЙ себряков- ский пикалев- ский 18 69,9 121,8 86,7 71,2 66,9 70,3 24 94,2 137,8 110,5 92,5 84,6 93,8 48 141,1 185,1 148,6 135,7 128,1 164,5 72 161,2 213,1 176,7 164,9 144 193,5 20 96 178,4 233,6 198,9 183,8 190,1 212,7 120 191,3 252,1 217,3 203,5 209,4 229 144 198 267,5 225,3 — — 244,5 168 209,4 285,6 242,4 260 6 59,5 108 96,7 54,4 64,5 100,1 18 140,7 197,6 200,9 141,5 142,4 184,6 24 161,2 219,8 231,1 162,9 169,2 213,1 48 210,2 272,2 293,9 218,1 220,7 270,5 40 72 239,1 308,2 328,3 249,1 246,2 299,4 96 263,4 329,5 355,1 274,7 262,9 321,6 120 240,3 339,1 367,6 290,6 275,5 335,8 144 297,3 348,8 380,6 304,4 285,9 349,2 168 311,9 356,3 396,9 311,9 296 362,2 5 89,6 151,9 114,3 73,7 88,8 70 9 144 196,8 167,5 151,6 139,4 151,2 18 195,9 253,7 215,6 211,9 178,8 215,6 24 213,1 217,3 231,1 231,9 198 238,7 80 5 9 18 24 36 - 133,1 195,5 255,4 276,8 289,3 66,2 160,8 232,4 257,5 278,4 в Ленинградском политехническом институте. В табл. 2.19 приведены результаты ее исследований по определению количества изотермического удельного тепловыделения цементов в бетонах. Бетонные смеси были изготовлены с расходом цемента 330 кг/м3, при В/Д=0,45 и осадке конуса 2 см. Тепловыделение определено при температу- рах: 20, 40, 70 и 80° С в сроки твердения начиная с 5— 18 ч; кончая 36—168 ч. 99
Бетоны применяются как при низких отрицательных, так и при высоких положительных температурах. Поэто- му тепловыделение цемента требуется учитывать приме- нительно к тем или иным специфическим условиям. При нулевых температурах тепловыделение протекает медлен- но, а при электропрогреве, пропарке, тем более при элек- троразогреве смеси — быстро. При зимнем бетонирова- нии желательно применять цементы, обладающие свой- ством быстрого и повышенного тепловыделения, чтобы обеспечить благоприятные температурно-влажностные условия бетону до набора им требуемой прочности к мо- менту его замерзания. При бетонировании массивных конструкций гидротех- нических сооружений, фундаментов под домны, каупера, башни и т. п. тепловыделение необходимо регулировать в целях борьбы с появлением трещин. При изготовлении сборных бетонных и железобетонных изделий и конст- рукций учет тепловыделения необходим с точки зрения энергетических ресурсов и предотвращения сушки бето- на в тех случаях, когда температура его превышает температуру камеры или другого теплового агрегата (особенно при /=100° С). Даже в условиях сухого и жар- кого климата необходимо считаться с тепловыделением цемента при укладке и выдерживании бетона в различ- ных конструкциях и сооружениях. В некоторых случаях оно может вызвать перегрев, сушку и образование тре- щин в конструкциях. Автоматическое управление на заводах сборного же- лезобетона режимами тепловой обработки осуществля- ется неправильно. Обычно регулируют температуру в камерах пропаривания, а во время изотермической вы- держки через 4—6 ч температура бетона в изделиях превышает на несколько градусов температуру среды в камере. В это время начинается потеря влаги. Для тяжелого бетона такой режим является неонтпмальным. Поэтому температура среды камеры должна корректи- роваться по температуре бетона. Тепловыделение долж- но использоваться строителями как дополнительный энергетический резерв. СТРУКТУРА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В начальный период твердения цементное тесто (па- ста) рассматривается как капиллярно-пористое тело, состоящее из твердой, жидкой и газообразной (наличие 100
вовлеченного воздуха) фаз. В этот период оно обладает пластичностью, поэтому прочность его определяют раз- личного вида пластометрами. Характер строения пори- стой структуры затвердевшего цементного камня опре- деляет основные свойства бетона — прочность, деформа- тивность, проницаемость, морозостойкость. Вопросам изучения микро- и макроструктуры цементного камня и бетона посвящено огромное количество исследований. Исследование микроструктуры проводится с применени- ем электронной микроскопии, для определения состава высокодисперсных кристаллических новообразований ис- пользуется рентгенографический анализ. Пористость цементного камня определяется различными методами, в том числе адсорбцией азота и ртутной порометрии, которые позволяют рассматривать строение материала на молекулярном уровне. Свойства бетона во многом определяются его макро- структурой. Под макроструктурой бетона понимается со- вокупность всех структурных элементов: крупного и мел- кого заполнителей, кристаллических сростков новообра- зований, наличие и размер пор и капилляров в его составе. Благодаря применению различных физических, физико-химических и механических методов определя- ется количественное соотношение отдельных элементов и их взаимосвязь. На формирование структуры цементного камня и бе- тона большое влияние оказывает тепловая обработка и замораживание на ранней стадии их твердения. На основании проведенных исследований совместно с физико-химической лабораторией НИИЖБ установле- но, что при замораживании в раннем возрасте у бетопа наблюдаются дефекты только в макроструктуре, т. с. в порах радиусом более I мк. При замораживании об- разцов в камере при температуре —20° С при просмотре препаратов под электронным микроскопом с увеличени- ем в 10 000 раз в структуре геля нарушений нс обнару- живается. Аналогичные результаты получены при опре- делении пористости цементного камня и бетонов мето- дами водопоглощения и обычной микроскопии. На формирование структуры и кинетику набора прочности цементным камнем и бетоном в значительной степени влияет минералогический состав цементов. Бетоны на алитовых цементах с повышенным содер- жанием С3А (типа невьянского цемента) характеризуют- 101
ся более быстрым твердением в начальные сроки. Уско- рение процессов гидратации цемента связано с разви- тием тепловыделения и созданием благоприятных усло- вий для формирования плотной и стойкой структуры, придающей бетону способность сопротивляться вредно- му воздействию отрицательных температур. При опти- Рис. 2.9. Упрощенная модель структуры цементного теста, предло- женная Т. Пауэрсом / — частицы геля; 2 — пор 3 — граница частиц воздушной поры; С — контракциоипые поры мальных температурах процессы гидратации высокоали- товых с большим содержанием С3А цементов протекают спокойней, быстрое накопление гелей сопровождается возникновением контракционных пор (г<0,1 мк), в ко- торых вода замерзает при температуре ниже —40° С. Исследованиям микроструктуры новообразований це- ментов уделялось много внимания проф. Т. Пауэрсом в портландцементной ассоциации США. На первом меж- дународном симпозиуме по зимнему бетонированию в 1956 г. в Копенгагене была представлена его упрощен- ная модель, изображающая структуру цементного геля (затвердевшей пасты). 102
Йа рис. 2.9 изображены частицы геля в виде сферо- литов с воздушными и более крупными порами, образо- вавшимися вследствие усадки твердеющего цементного геля [83] (контракции). В результате физико-химических исследований, про- водимых Т. Пауэрсом, представления о формирующейся структуре цементного геля несколько изменились. На симпозиуме по структуре цементного камня й бетона, который проходил в Вашингтоне в 1965 г., Т. Пауэрс сообщил, что новейшие методы исследований привели к изменению представлений о структуре цементного кам- ня и продуктов новообразований. Основными структур- ными элементами являются не сферолитоподобные ча- стицы, а чешуйчатые, войлокообразные и сетчатого сплетения кристаллы [84]. Эта измененная модель структуры затвердевшей цементной пасты представлена на рис. 2.10. Подобные представления о структуре цементного камня высказывались и другими исследователями. Мож- но считать общепризнанным, что из цементно-водных суспензий образуются гидратные соединения, обладаю- щие кристаллической структурой. Из образующихся в начале твердения гидратных соединений с течением времени формируется камневидная структура. Формиро- вание плотной структуры цементного камня зависит от ВЩ, т. е. от густоты цементного теста, тонкости помола и минералогии цемента, благоприятных температурно- влажностных условий твердения, введения минеральных и химических добавок. Чем больше водоцемеитпое отно- шение, тем больше суммарная и капиллярная пори- стость и соответственно усадка, а также деструктивные процессы при нагревании ц замерзании цементного кам- ня и бетона. Не имея возможности подробно останавливаться на изложении экспериментальных данных по структуре це- ментного камня, приведем лишь краткое описание про- исходящих процессов и принятую нами классификацию пористости бетона. При затворении цемента водой начинается его гид- ратация и образование начальной коагуляционной струк- туры, которая приобретает пластические свойства. Эти свойства принято характеризовать пластической проч- ностью. Общепринятым стандартным испытанием меха- нических свойств цементного теста нормальной густоты 103
йвляется определение сроков его схватывания. Пластич- ность цементного теста соответствует началу и периоду его схватывания. К концу схватывания уже складыва- ется кристаллизационная структура. Образующийся це- ментный камень быстро начинает набирать проч- ность, которая уже из- меряется не в грам- мах, а в килограммах на квадратный санти- метр. Кристаллы ново- образований срастают- ся между собой, перво- Рис. 2.10. Модель цемент- ного геля, предложенная Т. Пауэрсом к — коптракционные поры //Я Ц \\О о'' и° о/'й,; o/IJii «о OL! Ь . О Ой oU\x\v’Г//о ой- о-° °|Х»Х.|Хи о,/хих^ Рис. 2.11. Модель структуры гидро- силиката кальция, предложенная Р. Ф. Фельдманом и П. Г Середой = = = = = — слои гидросиликата, X — межслоевая вода, О — адсорбирован- ная вода начальный каркас обрастает тончайшими частицами гидросиликата кальция. Кристаллическая решетка гид- росиликатов кальция состоит из слоев, образованных кремнекислородными тетраэдрами SiO4. По длине кри- сталла они связаны друг с другом общим ионом кисло- рода, образуя цепочки. Каждые два слоя тетраэдров SiO4, соединенных ионами кальция, образуют слой гид- росиликата. Несколько слоев составляют пластинки гид- росиликата кальция. Потеря или насыщение водой со- провождается изменением расстояния между слоями кристаллической решетки гидросиликата. С этим связа- ны усадка и набухание геля при изменении температуры 104
и влажности окружающей среды. На рис. 2.11 изобра- жена модель структуры, составленной гидросиликатом кальция [37, 84]. Как показывают результаты рентгеноструктурного анализа, отличить CSH (I) от CSH (II) весьма затруд- нительно. В отличие от рентгенограмм природного кри- Рис. 2.12. Структура цементного камня а — скопления кристаллов Са(ОН)2; б — гидратированная масса в цементном камне (нлатино-угольныс репликиХЮ ООО) сталлического гидросиликата — тоберморита — они име- ют лишь несколько отражений. CSH (I) обладает боль- шей способностью к усадке и набуханию, чем CSH (II). В НИИЖБ 3. М. Ларионовой проводятся работы по изучению процессов гидратации минералов портландце- ментного клинкера и цемента с использованием комп- лекса современных методов. Эти исследования интерес- ны тем, что они проводятся параллельно с технологиче- скими исследованиями твердения цементов и бетонов при положительных и отрицательных температурах, что дает возможность научно- обосновать получаемые ре- зультаты, установить связь между минералогическим составом применяемых цементов и кинетикой набора прочности бетонами в различных температурных усло- виях твердения. Физико-химические исследования, про- водимые в комплексе с технологическими, становятся более предметными, так как они помогают технологам осмыслить механизм тех процессов, которые протекают при твердении бетонов. Микрофотографии продуктов гидратации портланд- цемента, полученные 3. М. Ларионовой, приведены на рис. 2.12, 2.13, 2.14, 105
Работы эти убедительно показали, что образующая- ся при гидратации C3S гидроокись кальция формируется в цементном камне в виде сравнительно крупных кри- сталлов. Кристаллы Са(ОН)2 в поперечном сечении име- ют вид гексагональных пластин. Накладываясь друг на друга они образуют скопления (как показано на рис. 2.12,а, продольное сечение). Гелеобразная (скрыто- кристаллическая) масса между кристаллами Са(ОН)2 составлена, в основном, гидросиликатами кальция. Гид- росиликаты кальция на неплотных участках цементного камня (даже в образцах нормального твердения) обра- зуют волокнистые кристаллы. На рис. 2.12, б. видно, что кристаллы гидросиликата кальция заполняют поры це- ментного камня. При гидратации С3А образуется ряд гидроалюмина- тов кальция, состав которых зависит от технологических факторов. Этот минерал гидратируется без выделения свободной Са(ОН)2, а возникающие гидраты образуют четкие кристаллы. Для портландцементного камня (где жидкая фаза пересыщена ионами кальция) типичным гидроалюмина- том кальция является C4AHi3 (рис. 2.13,а). При тепло- вой обработке цементного камня гексагональный C4AHJ3 переходит в кубический С3АНб (рис. 2.13,6). При этом вместо тонких гексагональных пластинок кристаллизу- ются октаэдрические зерна. В присутствии гипса, который является обязатель- ным компонентом заводского цемента, возникает гидро- сульфоалюминат кальция трехсульфатной формы ЗСаО-Al2O3-3CaSiO2-31H2O. На неплотных участках цементного камня и в порах сульфоалюминат образует четкие игольчатые кристаллы (рис. 2.14,а). Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF, в отличие от С3А, гидратируется с выделением свободной Са(ОН)2, а в гидраты включается некоторое количество Fe2O3. При тепловой обработке гексагональный гидрат переходит в кубический (то же, с включением Fe2O3). При длитель- ной автоклавной обработке возможно разложение гид- рата с выделением свободных Са(ОН)2 и Fe2O3. На рис. 2.14,6 показана электронная микрофотогра- фия (ХЮООО) цементного камня, где отчетливо видны гидросиликатная масса, игольчатые кристаллы сульфо- алюмината кальция и крупные пластинки гидрата оки- си кальция (слева). 100
Рис. 2.13. Продукты гидра гании С3А а — в нормальных условиях; б — при тепловой обработке (платино-угольные реплики ХЮ ООО)
2.14. Кристаллы гидросульфоалюмпната кальция (эттрингита) а — в поре; б — в массе цементного камня (платино-угольные реплики ХЮ ООО)
В процессе твердения цементного камня происходят как спонтанно, так и под воздействием различных физи- ко-химических и технологических факторов существен- ные структурные изменения. Знание особенностей фор- мирования структуры цементного камня позволяет объяснить многие явления, происходящие при формиро- вании структуры бетона. В связи с этим представляет интерес явление усадки цементного камня, которая во многом определяет усад- ку бетона и неизбежные структурные изменения в нем. Наши исследования изменений, происходящих в струк- туре на ранней стадии твердения при различных мето- дах термовлажностной обработки, обратили внимание па значение пластической усадки. Как правило, исследователи изучают усадку бетона по стандартному методу, минуя начальную стадию про- хождения ее, т. е. пластическую усадку. Надо заметить, что как у нас в Союзе, так и за рубежом различные ав- торы по-разному определяют и объясняют усадку. Неко- торые ученые рассматривают бетой как однородное, изотропное тело. В действительности бетон обладает неоднородной структурой, текстура его разнообразна. Обращаясь к микроструктуре, усадку цементного камня необходимо рассматривать в связи с объемными измене- ниями в цементном геле. Усадка геля (межслоевая) из- о меряется в нескольких ангстремах (менее 50А). Капил- лярная усадка определяется при 35% относительной влажности воздуха в течение 7 сут или по потере влаги при температуре 105° С. Эта усадка измеряется такими о ^величинами, как 50—1000 А. Влажностная усадка опре- деляется удалением свободной воды из нор. Межслоевая усадка селя наглядно может быть объяс- нена приведенной на рис. 2.11 моделью ячейки гидроси- .ликата кальция Р. Ф. Середы и П. Г Фельдмана. Плот- ность и структура пор зависят во многом от технологи- ческих факторов. Нами принята следующая классификация пор в це- ментном кампе и бетоне: ультрамикропоры (поры геля) радиусом до 0,01 мк; микропоры (контракцпонпыс и микрокапиллярпые) ^радиусом 0,01—0,1 мк; макропоры (переходные и более крупные капилляры) радиусом от 0,1 до 1 мк; 109
крупные поры радиусом >1 мк (>10 000 А); крупные поры и полости, образующиеся в бетоне под зернами крупного заполнителя седиментационного характера за счет воздухововлечения и за счет разной степени уплотнения бетона при укладке. В бетоне крупные поры могут измеряться также в миллиметрах. По данным А. Е. Шейкина капилляры до 0,1 мк приводят со временем к большой усадке у це- ментного камня и бетона. Влага в них удерживается ка- пиллярными силами. При пластической усадке свобод- ная вода удаляется, когда еще в бетоне капиллярных сил не проявляется. Эта усадка является характерной при укладке бе- тона или раствора в сухой среде при высоких тем- пературах. В главах 4—6 вопросы структурных изме- нений, в том числе усадки и температурных деформации, рассматриваются в связи с температурными и влажност- ными условиями твердения бетона. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ ГИДРАТАЦИИ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ Поиски новых способов применения электрической энергии привели к разработке индукционного метода электронагрева или внешнего обогрева (лучистой и кон- векционной передачей тепла). В связи с этим возникла необходимость исследовать воздействие электрического тока и электромагнитного поля на процессы гидратации и структурообразование цементного камня и бетона не- зависимо от теплового фактора. На ранних стадиях твердения цементное тесто или бе- тонную смесь можно рассматривать как коллоидную систему с дисперсной твердой и жидкой фазой в виде насыщенного относительно исходного вяжущего водного раствора. В цементном тесте или бетонной смеси, по аналогии с любым коллоидом, на границе двух фаз (твердой и жидкой) имеется двойной электрический слой, что обусловливает заряд частиц. Переменное электромагнитное поле имеет, в основ- ном, резонансный характер воздействия. Это значит, что в водных суспензиях клинкерных минералов или в цементном тесте заряженные частицы будут совершать ПО
колебательные движения. Степень колебательных дви- жений в первую очередь зависит от величины напряжен- ности электромагнитного поля, частоты тока и размеров заряженных частиц. Кроме того, в растворе действуют кулоновские силы притяжения разноименных зарядов, что снижает силу действия электромагнитного поля. В некоторых работах, выполненных в нашей стране и за рубежом, указывается, что в водных коллоидных си- стемах под действием переменного электрического тока наблюдается колебание частиц твердой фазы и ориента- ция их относительно силовых линий поля. В НИИЖБ были проведены исследования по влия- нию кратковременного воздействия переменного элект- ромагнитного поля на состав и характер кристаллиза- ции новообразований при гидратации гипса, отдельных клинкерных минералов и цементов в период от начала затворения до их схватывания. В качестве исходных ма- териалов были взяты полуводный гипс, алит, алюмофер- рит, высокоалюминатный клинкер и портландцемент Воскресенского завода. Для проведения экспериментов были изготовлены специальные установки, которые соз- давали магнитное поле в пространстве, где размещал- ся микроскоп с объектом. Разработка и приготовление этих установок были выполнены на кафедре электро- техники и электрооборудования ВЗИСИ при участии А. А. Алтухова. В лаборатории физико-химии было про- ведено исследование с применением петрографического и рентгенографического анализов, а также электронной микроскопии. Первая установка по созданию электромагнитного по- ля представляла собой четыре катушки, положенные друг на друга и параллельно соединенные между собой. Катушки включались в сеть переменного тока промыш- ленной частоты через регулятор напряжения. Вначале опыты проводились при небольшой напряженности элек- тромагнитного поля («20 эрстед). Напряженность по- ля в период эксперимента была постоянной; определя- лась она при помощи измерительной катушки и вольт- метра. Поляризационный микроскоп МИН-4 с фотонасад- кой помещался в пространство, заключенное внутри ка- тушек. Второй такой же микроскоп находился за преде- лами поля в том же помещении. Наблюдение под микро- скопами велось на специально приготовленных микропре- 111
паратах. Для этого каплю цементно-водной суспензии на- носили на предметное стекло, распределяли тонким сло- ем, покрывали стеклом и герметизировали замазкой. Гер- метизация препарата необходима для того, чтобы избе- жать испарения воды и карбонизации продуктов гидра- тации цемента. Во время проведения опыта препараты фотографировали через 5, 10, 15, 20, 30, 60 п 120 мин. В процессе наблюдений нужно было установить раз- личия в скорости возникновения, размерах, количестве п ориентации кристаллов новообразований при гидрата- ции минералов и цемента в нормальных условиях и в эле- ктромагнитном поле. Наиболее удобны для этих целей препараты из суспензии полуводного гипса 1 10 (гипс вода по массе). Полуводный гипс CaSO4-0,5H2O ха- рактеризуется хорошей и быстрой растворимостью в во- де. При достижении пресыщения из раствора начинают выкристаллизовываться удлиненно-призматические кри- сталлы двуводного гипса. Опыты, проведенные с помощью первой установки, не показали различия в характере гидратации полувод- ного гипса, поэтому возникла необходимость увеличения напряженности магнитного поля. Для этого была созда- на новая установка, отличающаяся от первой тем, что в ее катушках было увеличено количество витков, а напряженность электромагнитного поля достигала 75-Ю3 А/м. Но, учитывая рассеивание магнитного поля и возможность перегрева системы, реально используе- мая напряженность магнитного поля составляла не бо- лее 62,5-103 А/м. В качестве основного объекта при работе на этой установке также использовались суспензии полуводного гипса. В результате анализа многократно повторенных опытов не удалось выявить эффекта воздействия поля. Не получив ясно выраженного эффекта электромаг- нитного поля при использовании двух первых установок, мы значительно увеличили напряженность электромаг- нитного поля и сконцентрировали его в месте нахожде- ния объекта. Для этой цели была создана отличная от первых двух установка, которая представляет собой трансформатор с воздушным зазором в сердечнике (рис. 2.15). Две обмотки трансформатора соединялись между собой параллельно и включались в сеть пере- менного тока. Регулируя напряжение в воздушном за- зоре сердечника, можно получить переменное магнит- 112
ное поле с напряженностью до 160-103 А/м. Уменьшая площадь концов сердечника, увеличивали напряжен- ность электромагнитного поля до 1000-103 А/м. Во вре- мя проведения опыта микропрепарат вносили в зазор сердечника, а затем его изучали и фотографировали Рис. 2.15. Общий 1зид электромагнитной установки с помощью микроскопа. Другой препарат — контроль- ный образец выдерживали без воздействия поля. При проведении опытов на третьей установке, кроме суспензии полуводного гипса, использовались водные су- спензии из алюмоферрита, алита, высокоалюминатного клинкера и портландцемента Воскресенского завода. Так же как при работе на первых двух установках, в суспензиях с полуводным гипсом, подвергавшихся воздействию электромагнитного поля и находящихся вне его, образуются цилиндрические кристаллы двувод- ного гипса. Каких-либо изменений в скорости зарожде- ния кристаллов, направленности, их количестве и раз- мерах не наблюдается (рис. 2.16). В густых пастах 3—23 113
Рис. 2.16. Продукты гидратации гипса в течение 30 мин а — в электромагнитном поле напряжением 50 103 а/м; б—без поля (микро- препараты ХЗОО)
(в тесте) ожидать эффекта воздействия магнитного поля еще менее вероятно. При использовании железосодержащего минерала алюмоферрита можно было ожидать эффекта при воз- действии электромагнитного поля. Но при сравнении препаратов, находящихся в нормальных условиях и под воздействием электромагнитного поля, наблюдали обра- зование игольчатых кристаллов гидроалюмината каль- ция, приуроченных к негидратированным зернам C4AF в виде неясно выраженных сферолитов. Какой-либо на- правленности в распределении железосодержащей со- ставляющей алюмоферрита при воздействии электромаг- нитного поля не отмечается. В таких же водных суспензиях с алитом (1:20 по массе) рост кристаллов протекает более медленно. В про- цессе гидратации C3S вокруг негидратированных зерен образуются оболочки гелеобразного гидросиликата каль- ция и гексагональные кристаллы Са(ОН)2. Образова- ние кристаллов Са(ОН)2 начинается спустя 5—6 ч пос- ле затворения, поэтому проводились две серии опытов. Одни препараты подвергались воздействию электро- магнитного поля сразу после затворения, другие — через 6 ч. При сравнении их с препаратами, находя- щимися вне магнитного поля, также каких-либо от- личий не наблюдалось. В тех и других препаратах через 1 сут среди продуктов гидратации отмечается на- личие крупных гексагональных пластинок гидрата окиси кальция. Следующим этапом исследования явилось изучение влияния электромагнитного поля на процесс гидратации клинкерного и заводского цементов. Были взяты высоко- алюминатный клинкер (C3S = 63,65; p-C2S = 15,85%; С3А= 14,44%; C4AF = 4,83%) и заводской портландце- мент (C3S = 56,82%; p-C2S= 18,02%; С3А=8,71%; C4AF = = 14,82%). При использовании высокоалюминатного клинкера добавлялось 10% строительного гипса. Из этой смеси изготовляли цементно-водные суспензии и микропрепараты. Было проделано большое количество опытов для того, чтобы выбрать наиболее оптимальную концентрацию суспензий и время воздействия электро- магнитного поля. Установлено, что в работе наиболее удобна суспен- зия состава цемент : вода = 1 : 20 (по массе). В более кон- центрированных суспензиях кристаллы новообразований 8* 115
имеют слишком малые размеры. В более разбав- ленных суспензиях количество кристаллов новообразо- ваний мало и появляются они значительно позже. При затворении смеси высокоалюминатного клинке- ра с 10% гипса водой через 5—8 мин появляются сферо- литовые образования гидросульфоалюмината кальция ЗСаО-A12O3-3CaSO4-31H2O. Воздействие поля начинали через 5 мин после затворения и продолжали в течение 3 ч. Если сравнить суспензии из высокоалюминатного клинкера с 10%-ной добавкой гипса, находящиеся в ус- ловиях без воздействия и подвергнутые воздействию электромагнитного поля, то и в том и в другом случае вокруг зерен образуются ясно выраженные сферолиты игольчатых кристаллов гидросульфоалюмината кальция (рис. 2.17). Видимая разница в количестве эттрингита связана с размером зерен гипса и концентрацией су- спензии. При воздействии электромагнитного поля на суспен- зию портландцемента Воскресенского завода каких-либо отличий в процессе гидратации и формирования кри- сталлов новообразований по сравнению с препаратом нормального твердения также не наблюдалось. Для более детального исследования влияния элек- тромагнитного поля на состав и структуру высокодис- персных новообразований были использованы электрон- ная микроскопия и рентгенографический анализ. В электронном микроскопе методом одноступенчатых платиноугольных реплик изучалась структура скола с гидратированных образцов C3S и C4AF и воскресенско- го цемента (В/Д = 0,5) в возрасте 1 сут. Сравнивали образцы нормального твердения с образцами, подвер- гавшимися воздействию переменного электромагнитного поля частотой 50 Гц и напряженностью 750-103 А/м в течение 4 ч с момента затворения. В обоих случаях отмечена полная аналогия продук- тов гидратации и структуры образцов. В гидратирован- ных образцах из C3S на поверхности скола видны участ- ки зерен C3S, покрытые мелкими игольчатыми кри- сталлами гидросиликата кальция состава C2SH2. В гидратированных образцах из C4AF наблюдаются гек- сагональные кристаллы гидроалюмината кальция. В об- разцах из воскресенского портландцемента поверхность скола представлена мелкими кристаллами гидросилика- тов кальция C2SH2 игольчатой формы с участками
Рис. 2.17. Продукты гидратации высокоалюмипатного клинкера с 10% гипса в течение 3 ч после затворения а — под воздействием электромагнитного поля напряжением 100-103 Л/м; о — без поля (микропрепараты X 300)
с аморфным строением, аналогичными по своей форме продуктами гидратации C3S. Кроме электронной микроскопии для определения со- става высокодисперсных кристаллических новообразо- ваний был использован рентгенографический анализ. Для этой цели были исследованы порошковые пробы из гидратированных клинкерных минералов и воскресенско- го цемента с В/Ц=0,5 в возрасте 1 сут. Одни из этих образцов твердели в нормальных условиях, а другие под- вергались воздействию переменного электромагнитного поля напряженностью 750-103 А/м в течение 4-чс момен- та затворения. Использование таких точных методов, как электрон- ная микроскопия и рентгенографический анализ, показа- ло, что каких-либо изменений в составе тонкодиспер- сных новообразований не наблюдается. Если бы резо- нансный характер переменного электромагнитного поля оказал свое влияние на скорость растворения клинкер- ных минералов за счет колебательных движений заря- женных частиц, то можно было бы ожидать различия в соотношениях CaO SiO2, СаО: А12О3 и степени пере- сыщения в растворах, находящихся в нормальных усло- виях и подвергавшихся воздействию электромагнитного поля. Это в свою очередь привело бы к образованию гидросиликатов и гидроалюминатов кальция различной основности, но, по данным электронной микроскопии и рентгенографического анализа, таких различий не на- блюдается. Таким образом, проведенная работа показала, что хотя теоретически переменное электромагнитное поле и может привести к колебательным движениям заряжен- ных частиц в цементном тесте и бетонной смеси, но прак- тически при воздействии электромагнитного поля напря- женностью от 20 до 4000 эрстед в процессе гидратации клинкерных минералов и цемента не было обнаружено изменений в фазовом составе, скорости зарождения кри- сталлов новообразований, их размерах, форме и ориен- тации. Значительно большее влияние на изменение в формировании кристаллической структуры цементного камня оказывает неравномерность в распределении клин- керных минералов в цементном тесте и суспензии и пе- репады температуры при электротермообработке. Следовательно, как отмечалось ранее применительно к электродному методу прогрева, нагрев бетона в этом 118
случае происходит за счет тепла, а действие электро- магнитного поля при используемых параметрах не ока- зывает влияния. Заметим, что на основании многократно проводившихся исследований физико-механических свойств бетонов, подвергавшихся различным методам тепловой обработки, после электропрогрева в строи- тельных нормах модуль упругости принято уменьшать на 15%. Это вызвано неравномерностью распределения электрических, тепловых и влажностных полей в конст- рукциях. К 28-суточному возрасту во многих случаях наблю- дается недобор прочностных показателей бетона, про- гретого электротоком по сравнению с нормально твер- девшим. Поэтому при всех методах электротермообра- ботки, в том числе и в электромагнитном поле, требуется создание благоприятных одинаковых тепловлажностных условий. Подтверждением этому могут служить наблю- дения за состоянием железобетонных плоских плит, под- вергавшихся тепловой обработке в электромагнитной камере на домостроительном комбинате в Минске. По цвету и влажности плиты, находящиеся сверху и снизу пакета, после прохождения цикла обработки отличались от тех, которые располагались в середине. Объясняется это экранизацией тока при нагреве плит, располагаемых внутри пакета. ГЛАВА 3 СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА Цемент как строительный материал обычно исполь- зуется как важнейший компонент бетонов и растворов различных видов, а также асбестоцементных изделий. Исключением являются цементация, тампонирование скважин и некоторые другие специальные работы, когда он применяется самостоятельно. В мировых стандартах на цемент наряду с прочност- ными и другими характеристиками обязательно предъяв- ляются требования по срокам схватывания цементного теста. Строителей интересуют не только прочностные свой- ства цемента, но и такие характеристики, как нормаль- 119
ная густота и сроки схватывания, пластические свойства теста и пластическая прочность, тепловыделение, элек- тропроводность и некоторые другие, связанные с много- образными условиями его использования. Реологические свойства растворных и бетонных сме- сей во многом зависят от пластических свойств цемент- ного теста и кинетики структурообразования цементного камня в процессе твердения. Приложение механических воздействий при формовании изделий и конструкций, а также тепловое воздействие на бетон с целью ускорения его твердения находятся в прямой связи со структурооб-> разующими свойствами цементного теста. Поэтому ме- ханическое и тепловое воздействие в период формирова- ния прочной структуры приводит к необратимым измене- ниям, отражается на физико-механических свойствах цемента (бетона) Замерзание цементного теста (бетона) в раннем возрасте также вызывает необратимые процес- сы в формировании структуры, а следовательно, и стро- ительно-технических свойств. Согласно требованиям ГОСТ 310—60 на цементы, при испытании последних в тесте нормальной густоты, при температуре 20° С, начало схватывания должно насту- пать не ранее 45 мин, а конец схватывания не позднее 12 ч после начала затворения. Требования стандарта в отношении сроков схватыва- ния цементов представляют собой как бы некоторый браковочный минимум качества заводской продукции. Однако к этим требованиям нельзя подходить механиче- ски и непосредственно по ним судить о сроках схватыва- ния бетонов и растворов. В зависимости от температуры, водоцементного отношения и подвижности смеси, а так- же от вводимых добавок сроки схватывания могут значи- тельно изменяться. Многообразная практика применения бетонов и растворов в строительстве предъявляет различ- ные требования к срокам схватывания и твердения це- ментов. Например, на заводах железобетонных изделий быстрейшее снятие форм обеспечивается или применени- ем жестких бетонных смесей или ускорением сроков схва- тывания и твердения цементов. При производстве работ в зимних и осенне-весенних условиях понижение температуры приводит к замедле- нию сроков схватывания, что особенно сказывается на смешанных цементах. Поэтому в таких случаях прихо- дится прибегать к различным способам ускорения сро- 120
ков схватывания и твердения цементов. Наоборот, прй производстве работ в условиях высоких температур и при доставке бетонной и растворной смеси на дальнее расстояние часто возникает вопрос о принятии мер по замедлению сроков схватывания цементов. Быстрота схватывания портландцементов связана главным обра- зом с содержанием трехкальциевого алюмината. Чтобы не допустить окончания схватывания через 5—10 мин после затворения цементов, к ним добавляют гипс При использовании различного вида заводских це- ментов на строительстве необходимо уметь управлять сроками их схватывания и твердения в зависимости от надобности. Для этого необходимо знать природу явле- ний, обусловливающих схватывание цементов, и выявить факторы, приводящие к ускорению или замедлению сро- ков схватывания. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТА Схватывание и твердение цемента представляют собой сложные физико-химические процессы. При схватыва- нии цементное тесто постепенно теряет пластичность и загустевает, приобретая незначительную прочность. Раз- вивающийся затем процесс твердения, т. е. превращение цементного теста в цементный камень, в благоприятных тепловлажностных условиях продолжается в течение многих лет. Образующиеся при этом структура и проч- ность в силу сцепления между отдельными частицами новообразований, а также этих новообразований с по- верхностями зерен заполнителей создают монолитное твердое тело. При соприкосновении цемента с водой вначале про- исходит реакция между минералами клинкера и водой на поверхности частиц. Процесс взаимодействия воды с клинкерными минералами можно представить следую- щим образом. Все клинкерные минералы, какой бы малой раство- римостью они ни обладали, тотчас же начинают раство- ряться в воде. В водном растворе происходит гидролиз (разложение) минералов и гидратация их (присоедине- ние воды). Образующиеся гидратные соединения созда- ют пересыщенные растворы, из которых эти соединения выделяются в тонкодисперсном, коллоидном состоянии. Именно этим обстоятельством объясняется пластичность 121
цементного теста, имеющего щелочную реакцию вследст- вие появления гидролитически образующейся свободной извести. Появление свободной извести в цементном тесте обус- ловливается гидролизом основного соединения — C3S, представляющего собой неустойчивую в водной среде си- стему. При гидролизе C3S образуется также коллоидный двухкальциевый гидросиликат. Это соединение вследст- вие чрезвычайно малой растворимости в воде и повы- шенной устойчивости подвергается гидролизу в очень ма- лой степени, и свободной гидроокиси кальция почти совсем не образует. С3А в водном растворе гидролизует- ся с обратным присоединением первоначально выделив- шейся Са (ОН)2 и последующей гидратацией. C4AF в результате растворения, гидролиза и гидратации дает трехкальциевый гидроалюминат и гидроферрит кальция. Взаимодействие цементных составляющих с водой начинается с поверхности зерен и протекает довольно медленно. Продукты гидролиза и гидратации, первона- чально возникающие в коллоидной форме, образуют во- круг цементных зерен пластичный слой геля, требующего для своего образования большого количества воды. Цементное тесто в первое время после затворения об- ладает значительной подвижностью из-за наличия боль- шого количества свободной воды. Процесс коллоидации цементных составляющих сопро- вождается постепенным повышением вязкости цементно- го теста. Набухшие оболочки цементных зерен медленно пропускают воду, и потому доступ последней к более глубоким внутренним слоям частиц затруднителен. При значительном поглощении гелем воды коллоидная обо- лочка может отделиться от основной массы цементных зерен, вследствие чего вода получает доступ к негидра- тированным слоям клинкерных минералов, и процесс гидратации углубляется. Кроме того, непрерывно, хотя и замедленно, происходит отсос воды из оболочки геля внутрь цементных зерен. Все эти процессы обусловлива- ют непрерывно продолжающееся уменьшение количества свободной воды, что способствует повышению вязкости цементного теста и приводит к схватыванию, характери- зующемуся с внешней стороны постепенно увеличиваю- щимся загустеванием цементного теста и ухудшением его удобоукладываемости. Постепенно увеличивающаяся вязкость цементного теста условно характеризуется на- 122
чалом и концом схватывания, а также повышением тем- пературы, электропроводности и т. п. Часть продуктов гидролиза и гидратации клинкерных минералов в течение продолжительного промежутка вре- мени остается в коллоидном состоянии. К таким новооб- разованиям в цементном тесте относится гидросиликат кальция. Такие новообразования, как Са (ОН)2 и ЗСаО- •АЬОз-пНгО, постепенно из коллоидного состояния переходят в кристаллическое. Кристаллические соедине- ния, возникающие в цементном тесте в виде субмикро- кристаллических образований, срастаются друг с другом и дают сильно развитую сетку кристаллических сростков, обусловливающих приобретение механической прочности твердеющим цементным камнем. Можно считать, таким образом, что первой главнейшей причиной, вызывающей нарастание прочности у затворенного водой цемента, является переход коагуляционных соединений в кристал- лические и образование механически прочного скелета из кристаллических сростков. Второй важнейшей причиной, обусловливающей твер- дение цементного теста, является процесс уплотнения остающихся в коллоидном состоянии гидратных новообра- зований (главным образом гелей гидросиликата каль- ция). Этот процесс уплотнения коллоидного геля происходит за счет отсасывания воды внутренними пс- гидратированными слоями частиц, а также вследствие неизбежного процесса агрегирования коллоидов, стремя- щихся к самоуплотнению. Уплотняющиеся коллоидные гели, пронизываемые во всех направлениях кристаллическими сростками, более прочно сцепляются с поверхностью кристаллов и вслед- ствие этого также способствуют повышению прочности цементного камня. Это обжатие кристаллических срост- ков самоуплотняющимся коллоидным гелем можно рас- сматривать как третью причину, обусловливающую при- обретение прочности твердеющим цементным камнем. Второстепенное значение имеет поверхностная карбо- низация, протекающая за счет углекислоты воздуха и приводящая к образованию более плотного слоя из кар- боната кальция, препятствующего проникновению газов и жидкостей внутрь цементного камня. Процесс схватывания и твердения, т. е. нарастание прочности цементного камня, представляет собой слож- 123
нос явление, находящееся в зависимости от многих при- чин и обстоятельств. На процесс твердения цемента ока- зывают влияние: минералогический состав вяжущего, степень дисперсности его частиц, добавки некоторых ве- ществ, температурные и влажностные условия. Все эти факторы должны всегда учитываться при зимнем бетони- ровании, для которого всякий раз должны подбираться такие оптимальные условия, которые создавали бы наи- более благоприятную обстановку для набора прочности цементным камнем и по возможности в кратчайший про- межуток времени. При этом всегда надо принимать во внимание влияние температурного фактора на скорость протекающих процессов в твердеющем цементном камне, а следовательно, и в бетоне. Природа процессов, происходящих при схватывании портландцемента, вскрывается при определении сроков схватывания отдельных минералов клинкера. Размоло- тые и затворенные водой трех- и двухкальциевый силика- ты, а иногда и четырехкальциевый алюмоферрит, схва- тываются в течение примерно таких же сроков, как это наблюдается у обычных заводских портландцементов. Совершенно иная картина наблюдается при схваты- вании трехкальциевого алюмината. Схватывание по- следнего в тесте пластичной консистенции заканчивается не более чем через 10 мин от начала затворения. В некоторых случаях и четырехкальциевый алюмо- феррит (4 CaO-Al2O2-Fe2O3) схватывается с той же ско- ростью, как и трехкальциевый алюминат. Это можно объяснить достаточно интенсивной его гидратацией и вы- делением при этом гидрата трехкальциевого алюмината. Следовательно, решающую роль в схватывании портланд- цемента играют алюминаты кальция. Как известно из испытаний портландцемента без до- бавки гипса, сроки схватывания его наступают примерно с такой же скоростью, как и трехкальциевого алюмината, т. с. через 3—5 мин после затворения. На схватывание цемента не оказывает существенного влияния также и разбавление портландцементного клинкера домен- ным шлаком, трепелом и другими добавками. Так, на- пример, шлакопортландцемент и пуццолановый порт- ландцемент при помоле их без добавки гипса являются точно такими же быстросхватывающимися, как и чистый портландцемент. При выпуске в годы Отечественной вой- ны на Урале безгипсовых цементов автору специально 124
пришлось заниматься разработкой мероприятий по за- медлению сроков схватывания таких цементов. С целью замедления сроков схватывания портландце- мента (и его производных цементов) на заводах во вре- мя помола к ним добавляют 3—5% гипса. При этом больший процент гипса добавляется к цементам с высо- ким содержанием С3А. Гипс, растворяясь в воде в количествах около 0,2%, вступает в соединение с выделя- ющимся трехкальциевым алюминатом. По мере гидрата- ции цемента алюминат кальция, соединяясь с гипсом, вы- падает из раствора в виде нерастворимой двойной соли— сульфоалюмината кальция. Это происходит до тех пор, пока запас гипса способен с достаточной быстротой воз- мещать гипс, удаляемый из раствора. Добавку гипса на- до рассматривать не только с точки зрения регулирова- ния сроков схватывания цемента, но и как неотъемлемый компонент, вовлекаемый в твердение. Повышенные тонкость помола и активность совре- менных цементов, а также применение пропаривания конструкций вызывают необходимость повышения коли- чества добавляемого на заводах гипса (до 5—8%). Образующийся по реакции 3CaSO4 + ЗСаО*А12О3 4-рода = ЗСаО-Al2O3-3CaSO4-31H2O гидросульфоалюминат кальция в первые часы, т. е. в мо- мент структурообразования, ускоряя процессы твердения, уплотняет цементный камень. Благодаря этому ускоряет- ся твердение и повышается прочность бетона. Схватывание глиноземистого цемента обусловливает- ся тем, что при взаимодействии однокальцисвого алюми- ната с водой в результате гидролиза выделяется свобод- ная гидроокись алюминия и образуется гидроалюминат по следующей реакции: 2(СаО-Al2O3)-|-10H2O=2Al(OII)3-|-2CaO*Al2O3’7H2O. Образующиеся гидрат окиси алюминия и двухкаль- циевый гидроалюминат первоначально возникают в кол- лоидной форме в виде геля, постепенно повышающего свою вязкость вследствие поглощения все больших коли- честв воды, введенной в цементную смесь при ее затворе- нии. Переходящий затем в кристаллическое состояние и образующий кристаллические сростки двухкальциевый гидроалюминат способствует быстрому набиранию проч- ности твердеющим глиноземистым цементом. Следова- 125
тельно, в глиноземистом цементе схватывание связано с образованием геля, а твердение — с появлением большо- го количества кристаллов двухкальциевого гидроалюми- ната, образующего прочный скелет кристаллических сростков. Кристаллов гидроокиси кальция в схватываю- щемся глиноземистом цементе не наблюдается. Тверде- ние глиноземистого цемента происходит, таким образом, в результате уплотнения гелей глинозема и интенсивно- го образования кристаллов гидроалюмината кальция. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТА Для испытаний были взяты наиболее характерные для строительства цементы. Опыты производились с тес- том нормальной густоты, но при различных температу- рах, которые представляют практический интерес. Тем- пература цементного теста доводилась до заданной тем- пературы воздуха, за исключением случаев при 50 и 70° С, когда она получалась несколько ниже заданной условиями опыта. Установленные сроки схватывания це- ментов при различных температурах приведены в табл. 3.1. Как видно из этой таблицы, с понижением тем- пературы воздуха (и цементного теста) сроки начала и конца схватывания отодвигаются, а также удлиняется весь период схватывания цементов. При температуре, близкой к 0° С, начало схватывания цементов замедля- ется в 2—4 раза и более против начала схватывания при температуре 15° С. С повышением температуры до 70° С сроки схватыва- ния цементов ускоряются в 3—6 раз против сроков при температуре 15° С. При высоких температурах период от начала до конца схватывания резко сокращается. Из- менение температуры влечет за собой ускорение или за- медление химической реакции взаимодействия цемента с водой. С повышением температуры гидролиз (распад) основных минералов цементного клинкера происходит быстрее. Образование геля гидросиликата кальция и вы- падение кристаллов гидроалюмината кальция и гидрата окиси кальция с повышением температуры происходит интенсивнее. Следствием этого является ускорение сро- ков схватывания цемента и повышение вязкости теста. С понижением температуры все эти процессы протека- ют медленнее. Растворимость же окиси кальция, наоба- 126
Таблица 3.1 ИЗМЕНЕНИЕ СРОКОВ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ Температура, °C Портландцемент марки 300 Портландцемент марки 400 Пуццолановый порт- ландцемент марки 300 Шлакопортланд- цемент марки 250 Глиноземистый цемент марки 500 Сроки схватывания, ч—мин начало конец начало конец | начало | конец | начало | конец | начало | конец 70 0—40 0-55 0—40 0—55 1—05 1—45 — — 50 1—00 2—00 1—30 3—00 0—45 2—10 1—45 2-45 0-30 3—10 30 1—45 2—45 1—50 4—20 1—45 4—30 2—15 5—40 1—10 4—40 15 1—05 1—45 1—45 2—45 2—15 5—40 3—55 10—45 3—30 9—30 5 4—45 14—40 9—10 18—40 6—50 16—20 5—20 23-15 4-15 24—00 0 8—00 25-35 — — 9—50 25—25 7—35 37—25 — —
рот, повышается вместе с понижением температуры. Так, например, процент растворения СаО при температуре 10° С в 1,5 раза выше, чем при 70° С. При отрицательных температурах обычно схватыва- ния цементного теста не происходит; уже при темпера- туре — 1... —2° С образцы замерзают. При оттаивании об- разцов схватывание цементного теста происходит весьма интенсивно. Аналогичная картина наблюдается при изу- чении твердения растворов и бетонов. После оттаивания скорость нарастания прочности их увеличивается. При за- мораживании цементного теста, кроме того что времен- но прерывается процесс схватывания и твердения цемен- та, нарушается структура образцов. На способность к гидратации в последующем временное замораживание цементного теста не оказывает влияния. Поэтому в слу- чае необходимости при оттаивании свежезамороженных образцов, если не вымерзла влага, вибрированием мож- но восстановить монолитность и обеспечить нормальную прочность цементного камня (см. гл. 6). Путем изменения температуры твердеющего бетона или раствора можно регулировать в необходимом направ- лении сроки схватывания цемента и связанную с ними интенсивность тепловыделения. Чтобы не нарушать удобоукладываемости бетонной или растворной смесей, схватывание цемента должно на- ступать после окончания укладки их в конструкции. Это представляет интерес при подогреве материалов и при работе в районах с сухим жарким климатом, а также при употреблении быстросхватывающихся цементов. ВЛИЯНИЕ ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯ НА СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТА Результаты испытаний цементного теста нормальной густоты на схватывание не могут быть непосредственно использованы применительно к бетонам и растворам. Для достижения удобоукладываемости бетонной смеси водо- цементное отношение обычно принимается в пределах 0,4—0,8. Таким образом, водоцементное отношение теста нормальной густоты в 2—3 раза меньше, чем водоце- ментное отношение в бетонах. Поэтому для приближе- ния лабораторных испытаний к производственным усло- виям три типичных цемента были испытаны не только в тесте нормальной консистенции, но и при В/Д = 0,4 и 0,5. 128
При этом в тесте с повышенным В/Ц излишняя вода от- делялась вверх, вследствие чего в кольцах происходила заметная осадка теста. Сроки схватывания цементов определялись при тем- пературах 5, 15 и 30° С, а для шлакопортландцемента, кроме того, при 0 и 50° С. Перед приготовлением цемент- ного теста температура цемента и воды доводилась до заданной по условиям проведения опыта. Приготовление и укладка цементного теста в кольца производились при нормальной температуре, а затем образцы переносились в шкафы с соответствующими температурами. Результа- ты испытаний приведены в табл. 3.2. Таблица 3.2 СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВОДОЦЕМЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ Темпера- тура, °C В/Ц=0,27 | В/Ц=0,\ | В/Ц=0,5 Сроки схватывания, ч — мин начало | конец | начало | конец | начало | конец Портландцемент марки 300 30 2—20 3—40 4—20 5—40 4—00 5—40 15 4—00 5—25 8—10 10—00 9—00 10—15 5 4—45 10—20 12—20 21—00 17—10 25—10 Шлакопортландцемент марки 250 50 1—45 2—45 2—45 3—30 3—15 4—05 30 2—15 5—40 5—40 9—10 7—05 11—20 15 4—00 13—05 11—40 21—40 13—40 25—20 5 5—20 23—15 14—30 30—45 19—00 40—35 0 7—45 37—25 22—25 54—15 28—30 59—25 Глиноземистый цемент марки 500 30 1—45 4—25 4—00 7—50 7—10 8—10 15 2—20 9—45 14—00 15—00 15—00 1G—00 5 5—10 10—00 — — — Из этих данных видно, что с увеличением водоцемент- ного отношения начало и конец схватывания отдаляются. Начало схватывания теста при В/Ц=0,4 наступает в 2— 3 раза позднее, чем теста нормальной густоты. При высо- 9—23 129
ких температурах начало схватывания цементного тесТа очень подвижной консистенции наступает в сроки, впол- не приемлемые для практических целей. В этих слу- чаях время между началом схватывания цемента и его концом значительно меньше, чем при нормальной темпе- ратуре. Это можно объяснить тем, что первоначально части- цы цемента разобщены в большом количестве воды, а Рис. 3.1. Влияние температуры и В/Ц на сроки схватывания шлако- портландцемента марки 250 а—цементное тесто нормальном густоты (В/Ц=0,27); б — цементн при В/Ц=0,4; / — начало схватывания; 2 — конец схватывания новообразования не достигают необходимой степени кон- центрации. Затем, с одной стороны, идет отделение воды вверх и оседание цементных частиц вниз (с неизбежным уплотнением теста под собственной тяжестью), с другой стороны, с повышением В/Ц интенсивно образуется гель гидросиликата кальция, а также кристаллы гидроалюми- натов кальция и гидроокиси кальция, которые хотя и позднее, но все же быстро образуют структуру цементно- го камня. Тесто начинает быстро терять пластичность, происходит полное схватывание цемента. На рис. 3.1. показано, в какой степени изменение температуры и во- доцементного отношения сказывается на изменении сро- ков схватывания цемента. 130
Из полученных результатов видно, что повышение во- доцементного отношения, так же как и понижение темпе- ратуры, является фактором, замедляющим образование структуры геля с кристаллическими сростками, а тем са- мым и фактором, замедляющим сроки схватывания це- мента. Таким образом, повышение подвижности бетонной смеси обеспечивает удлинение срока, в течение которого она может быть уложена в конструкции. Однако такой прием удлинения срока укладки бетон- ной смеси приводит к понижению прочности бетона и может быть использован только в случае крайней необ- ходимости. ДОБАВКИ—УСКОРИТЕЛИ СРОКОВ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТА Установлено, что наилучшей добавкой в качестве ус- корителя сроков схватывания и твердения цементов яв- ляется хлористый кальций. Характеристика сроков схватывания четырех цемен- тов, испытанных по стандартной методике, но при тем- пературах 5, 15 и 30° С как без добавок, так и с добавкой 2% хлористого кальция (по массе цемента), приведена в табл. 3.3. Испытания показали, что наибольшее ускорение сро- ков схватывания при добавке хлористого кальция проис- ходит при употреблении глиноземистого цемента. Портландцементы различного минералогического со- става при одинаковой добавке хлористого кальция также имеют неодинаковые сроки схватывания. Во всех случа- ях наибольший эффект в ускорении сроков схватывания достигается при пониженных положительных темпера- турах. Многочисленные опыты показали, что при добавке 1% СаСЬ схватывание портландцементов в нормальных условиях происходит в среднем в 1,5 раза быстрее, а при добавке 2% СаСЬ в 2,5 раза быстрее, чем без применения добавок. При небольших добавках хлористого кальция (1 —1,5%) пуццоланизированные портландцементы в меньшей мере сокращают сроки схватывания, чем порт- ландцементы. Для ускорения сроков схватывания цементов могут применять- ся серная и соляная кислоты, образующие в процессе твердения гипс и хлористый кальций. Другие химические добавки — ускорители сро- ков схватывания и твердения цементов — обычно приводят к потере 9* 131
Таблица 3.3 СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТОВ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ 5, 15 И 30’С Й ДОБАВКЕ 2% ХЛОРИСТОГО КАЛЬЦИЯ Цемент Номи- нальная густота, % Температура, °C 5 1 15 1 I 30 Сроки схватывания, ч —мин начало конец начало | конец начало конец Портландце- мент завода «Красный ок- тябрь» марки 400 27,75 9—10 18—40 3—30 7—25 1—55 4—25 То же, с до- бавкой 2% СаС12 27,75 4—15 8—50 3—00 4—40 1—00 2—25 Портландце- мент Краматор- ского завода марки 400 25 7—50 15—05 5—30 8—15 1—50 4—05 То же, с до- бавкой 2% СаС12 25 0—30 2—00 1—50 3-05 1—15 1—50 Глиноземи- стый цемент марки 500 26,25 4—15 24—00 3—30 9—30 1 — 10» 4—40 То же, с до- бавкой 2% СаС12 26,25 — 0—20 0—30 0—10 0-40 бетонами и растворами конечной прочности, а поэтому, как правило, не рекомендуются к применению. В отдельных случаях вместо химических добавок для ускорения сроков схватывания может быть применено смешивание портланд- цемента с глиноземистым цементом. Исходя из опыта работы на строительстве Чусовского завода, можно рекомендовать в качестве добавки к портландцементу 5% глиноземистого цемента. При добав- ке глиноземистого цемента более 10% схватывание портландцемента Происходит почти моментально, при этом необходима опытная про- верка. Для тех же целей к глиноземистому цементу может добав- ляться 5% портландцемента или свежей, не карбонизировавшейся Извести. Эти добавки могут оказаться особенно уместными в осенне- Ьесенних условиях и на полигонах железобетонных конструкций. На- конец, надо отметить, что повышение тонкости помола без дополни- тельной добавки гййса приводит Также к ускорению сроков схваты- вания всех цементов. 132
ДОБАВКИ—ЗАМЕДЛИТЕЛИ СРОКОВ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТА При выпуске заводами быстросхватывающихся цемен- тов (например, без добавки пли при недостаточной до- бавке гипса при помоле клинкера) возникает необходи- мость в принятии мер для замедления сроков их схваты- вания. Имеющийся на строительстве гипс должен быть, как правило, предварительно смешан с цементом. При отсутствии на строительстве гипса последний мо- жет быть заменен небольшой добавкой серной кислоты. При этом Са (ОН)2 взаимодействует с серной кислотой H2SO4 и образует сернокислый кальций по следующей обменной реакции: Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4+2H2O. Следовательно, добавкгз серной кислоты приводит к образованию двуводного гипса весьма высокой дисперс- ности, что оказывает больший эффект, чем добавка гипса. При нормальной температуре добавка 0,25% серной кислоты по массе воды затворения отодвигала в наших опытах начало схватывания безгипсового шлакопорт- ландцемента с 4—7 мин до 1 ч 15 мин, а при понижении окружающей температуры до 3° С—до 4 ч 10 мин. В 1942—1943 гг. на строительстве металлургического завода в Златоусте замедление сроков схватывания без- гипсового цемента достигалось путем добавления в бе- тон воды, содержащей отходы серной кислоты. В годы Великой Отечественной войны при выпуске некоторыми заводами цементов без добавки гипса как регулятора сроков схватывания оказалось необходимым разработать мероприятия по использованию этих цементов на строи- тельстве. В зимний п осенне-весенний периоды эта зада- ча была нами достаточно просто разрешена путем ис- пользования пониженной температуры среды (5—10°) и повышения в виде исключения подвижности бетонной смеси (осадка конуса до 8—10 см). Эти мероприятия дали возможность на строительстве завода в Чебаркуле укладывать бетонную смесь с небольшим перерасходом цемента за 30—45 мин при употреблении цемента «быст- ряка» со сроком конца схватывания 4—7 мин. Сроки схватывания цементов могут быть также за- медлены путем добавки фосфорной кислоты в количест- ва
ве не более 1,5% массы цемента. При введении фосфор- ной кислоты бетонная смесь загустевает очень медленно, что дает возможность отодвигать сроки укладки и уп- лотнения бетона в конструкциях на 10—15 ч. В некото- рых случаях, в особенности при длительных перерывах в бетонировании, в этом возникает необходимость. При добавке к бетонной смеси малых долей процента пластификаторов и сахаристых веществ сроки схватыва- ния и твердения также значительно замедляются. В соответствии с требованиями строительства теперь мы можем регулировать (направленно изменять) сроки схватывания цементов созданием тех или иных темпера- турных условий, а также введением различных добавок. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА Наряду со сроками схватывания рассмотрим такие характеристики, как пластическая прочность, тепловыде- ление, изменение содержания щелочей, электропровод- ность, явление контракции и их взаимосвязь при схваты- вании цементного теста. В наших исследованиях было установлено, что истинный конец схватывания цемента недостаточно определяется с помощью прибора Вика. По показателям тепловыделения, электросопротивле- ния, контракции, изменения концентрации щелочей в жид- кой фазе (по СаО) конец схватывания цемента насту- пает несколько позднее, чем это фиксируется прибором Вика. На рис. 3.2 представлена схематическая модель взаимосвязи между насыщением жидкой фазы гидро- окисью кальция, повышением температуры, изменением электросопротивления, а также нарастанием пластичес кой прочности цементного теста в сопоставлении со сро- ками схватывания цемента по стандарту. Как видно из рисунка, максимальному насыщению жидкой фазы СаО соответствуют переломные точки на кривых температуры, электросопротивления и пластиче- ской прочности. Окончание периода схватывания харак- теризует процесс формирования структуры и начала интенсивного твердения цемента. Пластическая прочность в работе [3] определялась коническим пластометром. Исследование было проведе- но на трех цементах, сроки схватывания которых указа- ны в табл. 3.4. 134
Рис. 3.2. Изменения цементного теста в начальный период твердения / — концентрации СаО в жидкой фазе; 2 — тепловыделения; 3 — электросопро- тивления; 4 — нарастания пластической прочности; И.С. — начало схватывания; К.С. — конец схватывания; И.К.С. — истинный конец схватывания Портлап цемент Таблица 3.4 СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО 'ТА В СООТВ1-Г /1ВИИ С ГОСТ 310-60 Сроки схватывания, ч — мин начало j конец Белгородский Воскресенский Невьянский 3—28 5—43 1—06 4—40 2—20 3—45 Погружение конуса пластометра в цементное тесто производили на постоянную глубину 5 мм, замеряемую по мессуре. Замеры производились через каждые 15 мин вплоть до момента затвердевания цементного теста. Пластическая прочность рассчитывается по формуле 135
где F— нагрузка на конус, кг; —глубина погружения конуса, см; /<а—констант; конуса, определяемая по форму/ 1 Ла = — cos actg a. На рис. 3.3 представлены кривые изменения пласти- ческой прочности цементного теста нормальной густоты, приготовленного на белгородском, воскресенском и невь- Рис. 3.3. Изменение пластиче- ской прочности цементного тес- та нормальной густоты при t=20° С, приготовленного на портландцементах 1 — воскресенском; 2 — невьянском; 3 — белгородском янском портландцементах. Как видно из рисунка, вско- ре после затворения белго- родского и невьянского це- ментов водой наблюдается небольшое увеличение пла- стической прочности и неко- торый рост ее во времени. Начиная приблизительно с 3 ч 15 мин для белгородско- го и с 1,5 ч — для невьянско- го, прочность резко возрас- тает. Такое значительное увеличение прочности обус- ловливается развитием кри- сталлизационной структуры. Кривые на рис. 3.3 показы- вают более быстрое разви- тие процесса структурообра- зования для воскресенского цемента по сравнению с бел- городским и невьянским, что можно объяснить содержа- нием в воскресенском цемен- те добавки трепела, значи- тельно увеличивающей его структурную вязкость. При- чем можно отметить, что наибольшее нарастание пласти- ческой прочности наблюдается в период, совпадающий но времени с началом схватывания цементного теста, оп- ределяемым по прибору Вика. В этот же период наиболее интенсивно развивается и эффект контракции системы (рис. 3.4). За процессом структурообразования цементного кам- ня можно также наблюдать по кривым тепловыделения. 136
Тепловыделение является следствием процесса гидрата- ции вяжущих и дает представление о структурообразова- нии цементного камня. Первый период характеризуется небольшим тепловыделением, которое начинается сразу же после затворения цемента водой. Затем (до 3 ч) име- ет место индукционный период, в котором увеличения тепловыделения не наблюдается, так как цементные зер- на обволакиваются пленкой из гелеобразных продуктов гидратации, замедляющей процесс гидратации. Начиная с 3 ч (начало схватывания по прибору Вика для белго- родского цемента), происходит незначительное, а через 5—6 ч более заметное повышение температуры цемент- ного теста. Подобные кривые получены для воскресен- ского и невьянского цементов, где также через 5 ч про- исходит заметное повышение температуры цементного теста. Рис. 3.4. Изменение пластической прочности (Р), контракции (/0, начала (Н.С.) и конца (/(.С.) сроков схватывания цементного теста нормальной густоты белгородского портландцемента при / = 20° С Изменения, происходящие в цементном тесте и бето- не в процессе их твердения, вызывают изменение их электрофизических характеристик. Поэтому некоторые исследователи [10, 45, 74] контроль за процессом схва- тывания и твердения цемента осуществляют по измене- нию его электропроводности, диэлектрической проницае- мости, тангенса угла диэлектрических потерь. Причем каждой стадии твердения бетона соответствуют свои
электрофизические характеристики. Так, качественную характеристику физико-химических процессов, протека- ющих на ранней стадии твердения, можно получить по изменению электропроводности. Конец схватывания со- ответствует резкому возрастанию электросопротивления (или уменьшению электропроводности). Удельное оми- ческое сопротивление, которое необходимо знать при электродном методе электротермообработки бетона, прежде всего зависит от влагосодержания и удельного сопротивления жидкой фазы, насыщенной щелочами и минеральными солями. По мере повышения температу- ры удельное сопротивление смеси понижается, а в про- цессе гидратации (связывания части воды) и твердения цемента оно повышается. Введение в цементное тесто или в бетон химических добавок — электролитов вызывает повышение электропроводности. Удельное электрическое сопротивление цементного теста не является постоянной величиной, а изменяется в процессе его твердения. При температуре ниже 0° С количество жидкой фазы в це- ментном тесте уменьшается, а содержание твердой (льда) увеличивается. При этом электропроводность цементного теста или твердеющего цементного камня (бетона) резко уменьшается. Влияние раннего замораживания цементного теста на процессы твердения как в начальной стадии, так и после оттаивания исследовались в работе [2, 21] по кине- тике электропроводности опытных образцов (рис. 3.5). Установлено, что максимальная величина электропровод- ности цементного теста после оттаивания (у^)отлича- ется от ее значения к моменту начала замораживания (уо). Она получается значительно ниже начальной и ни- же, чем у контрольных образцов, не подвергавшихся замораживанию. Необходимо обратить внимание на то, что все назван- ные физические характеристики являются дополнитель- ными к стандартному методу испытания цементного те- ста. Ими преимущественно пользуются в научно-иссле- довательских работах. Попытка Л. А. Сильченко и Н. В. Михайлова по кривой пластограммы цементного те- ста устанавливать оптимальные сроки начала тепловой обработки бетона привела к отрицательному результату. На основании переломных точек, полученных на пласто- граммах, ими были даны некоторым московским заводам сборного железобетона рекомендации по сокращению на
0,5—1 ч сроков предварительного выдерживания изде- лий до начала тепловой обработки. Их утверждения о том, что в результате сокращения сроков выдерживания изделий до начала пропарки прочность бетона повышает- ся на 25—35%, на практике не подтвердились. Этот при- мер указывает на необходимость комплексного рассмот- XtQMt°C жШние ивание Рис. 3.5. Изменение свойств цементного камня в период заморажива- ния, оттаивания и последующего твердения 1 — электропроводность цементного камня; 2— температура цементного кам- ня; 3—электропроводность контрольных образцов; 4 — температура наружной среды рения явлений и параметров, характеризующих свойства цемента и бетона. Нельзя механически использовать от- дельные характеристики твердеющего цемента при ре- шении вопросов технологии бетона как в заводских усло- виях, так и в условиях гроительства. На современном уровне развития теории и технологии бетона требуется широкий, охватывающий все стороны явлений, научный подход к этому вопросу. ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ЕЕ КОНСИСТЕНЦИЮ И ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА При производстве бетонных и железобетонных работ существенное значение имеет консистенция бетонной сме- си, которая зависит от количества цементного теста, со- 139
держания добавок, времени выдерживания ее перед укладкой, вида крупного и мелкого заполнителя, их со- отношения в бетоне и других факторов. Для определения некоторых зависимостей автором проведены опыты на четырех цементах различного вида. Подвижность бетонной смеси в начальный период харак- теризовалась осадкой конуса 3 и 9 см, расход портланд- цемента составлял 270 кг/м3, глиноземистого цемента 236 кг/м3 п нссчано-пуццолапового портландцемента 303 кг/м3. Материалы подогревались с таким расчетом, чтобы обеспечить температуру бетонной смеси 20, 30 и 40° С. Бетон приготовлялся как без добавок, так и с до- бавкой 1—3% хлористого кальция (от массы цемента). Бетонная смесь выдерживалась в помещении при темпе- ратуре воздуха 15—20° С. Изменения подвижности бетонной смеси по осадке ко- нуса и ее удобоукладываемости по техническому виско- зиметру приведены на рис. 4.1. Вначале определялась подвижность готовой смеси, а затем ее удобоукладывае- мость в секундах по техническому вискозиметру. При температуре смеси 30—40° С ее подвижность теряется быстрее, чем при температуре 20° С. На рис. 4.1 падение подвижности смеси указано сплошными, а удобоукладываемости — пунктирными ли- ниями. Измерения производили в сроки, указанные на рисунке. Как показали опыты, с повышением температуры по- движность бетонной смеси на всех цементах падает. До- бавка 1—2% хлористого кальция при одной и той же температуре не приводит к каким-либо существенным изменениям (вследствие увеличения подвижности смеси за счет самой добавки), а при добавке 3% подвижность и удобоукладываемость заметно падает. При еще боль- ших добавках солей водопотребность бетонной смеси уменьшается, а потеря удобоукладываемости ускоряется. Бетонная смесь на песчапо-нуццолановом портланд- цементе теряет подвижность и удобоукладываемость го- раздо быстрее смесей на портландцементах. Удобоукла- дываемость смеси па этом цементе вообще пониженная. Добавка хлористого кальция в случае применения пуццо- ланизированных портландцементов приводит к повыше- нию подвижности смеси. Потеря подвижности и удобоукладываемости бетон- ной смеси имеет определенную связь со схватыванием це- 140
ментов. Добавка хлористого кальция сокращает сроки схватывания глиноземистого цемента и портландцемен- та. Бетонная смесь на глиноземистом цементе при до- бавке хлористого кальция теряет подвижность еще быст- рее, чем па портландцементе. Рис. 4.1. Изменение подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси в зависимости от срока выдерживания ее на портландцементе марки 400 при / = 20° С а — без добавки СаС12; б —с добавкой 1% СаС12; в —с добавкой 2% СаС12; г — с добавкой 3% СаС 12; О- К. — осадка конуса Одновременно с определением удобоукладываемости бетонных смесей было изучено влияние предварительно- го выдерживания смесей до укладки на прочность бето- на. Бетонные образцы были изготовлены на вибропло- щадке, смесь укладывалась с момента ее затворения 141
>— Таблица 4.1 ю ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖИВАНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ С ДОБАВКОЙ и БЕЗ ДОБАВКИ ХЛОРИСТОГО КАЛЬЦИЯ НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА В ЗО-СУТОЧНОМ ВОЗРАСТЕ Цемент Расход цемента, кг на 1 м бетона в/ц Предел прочности бетона на сжатие, МПа, при укладке смеси в формы сразу после приготовления через 2 ч 4 ч 5 ч 30 мин без CaCi2 С 2% СаС12 без СаС12 с 2% СаС12 без СаС12 с 2% СаС12 без СаС12 с 2% СаС12 Начало укладки смеси 30 МИН 2 Ч 4 Ч Глиноземистый цемент марки 500 230 0,78 35,1 27,2 35,1 28,6 34,7 27,4 42,4 36,8 Портландцемент мар- ки 400 276 0,68 11,7 14,8 12,7 18 13,7 18,2 15,3 18,5 Портландцемент мар- ки 400 275 0,7 11,5 12,5 13,5 12,1 13,9 14 13,9 17 Начало укладки смеси 1 ч 2 ч 3 ч Песчано-пуццолановый 305 0,68 9,7 13,2 10,6 13,4 11,3 15,4 11,6 16,6 портландцемент мар- ки 300 Примечания: 1. Начало схватывания цементов наступало в пределах 2 ч 10 мин — 4 ч 05 мин, а конец схватывания в пределах 5 ч 30 мин — 7 ч 50 мин. 2. Если смесь укладывалась в иное время, чем указано в соответствующей графе, то новый срок для отдельных составов указывается над цифрами прочности образцов.
и до 5 ч 30 мин. Бетонная смесь характеризовалась осад- кой конуса от 3 до 6 см. Данные о прочности бетона че- рез 30 сут нормального твердения приведены в табл. 4.1. Во всех случаях смесь хорошо уплотнялась и время уплотнения возрастало по мере увеличения предвари- тельной выдержки. Как видно из табл. 4.1, выдерживание готовой бетон- ной смеси в течение 3—5,5 ч на всех четырех цементах привело к повышению прочности бетона. Добавка 2% хлористого кальция при наличии указанной подвижно- сти бетонной смеси не помешала укладке бетона в фор- мы до 3—5,5 ч. Испытание в 30-суточиом возрасте пока- зало значительное повышение прочности бетона на всех цементах, кроме глиноземистого. Предварительное вы- держивание смеси до укладки в течение 5 ч 30 мин повы- сило прочность бетона па портландцементах без добав- ки СаС12 на 20 и 30%, а на глиноземистом после четы- рехчасовой выдержки на 21% от своей марочной. Эти опыты, в свое время, позволили автору сделать предло- жение о целесообразности применения предварительного выдерживания бетонных смесей перед укладкой. Дальнейшие опыты показали, что наибольшее повы- шение прочности достигается при выдерживании смесей при пониженных положительных температурах и особен- но перед началом тепловой обработки изделий или мо- нолитных конструкций. Это хорошо согласуется с реко- мендациями повторного вибрирования вообще и с пред- ложением, изложенным в главе 6 о вибрации бетона в момент оттаивания, если он был заморожен сразу после изготовления смеси. Приготовление бетонных смесей при низких положи- тельных температурах может обеспечить существенную экономию цемента. Повышение прочности бетона, а сле- довательно, и возможная экономия цемента достигаются, во-первых, за счет меньшей водопотребности смеси, во- вторых, за счет отсутствия необратимого теплового рас- ширения бетона при более высоких температурах. Вопрос о повышении прочности бетона должен рас- сматриваться в прямой связи с экономией расхода цемен- та. Это положение должно учитываться при установле- нии норм расхода цемента для монолитного бетона, в том числе при зимнем бетонировании и при бетониро- вании в условиях сухого и жаркого климата. Раньше эти вопросы не были подняты на уровень нормирования рас- 143
хода цемента в зависимости от температуры приготов- ления и укладки смесей. В зимнее время зачастую, не- смотря на благоприятные температурные условия при- готовления смесей и режима твердения бетона в конструкциях, строители стремились повысить расход цемента по сравнению с обычными расходами в теплое время года. Иная картина получается при укладке бе- тонных смесей в условиях сухого и жаркого климата. В летние месяцы там без дополнительного расхода це- мента нельзя достигнуть заданных марок бетона, и ка- чество не только монолитных конструкций, но и завод- ских изделий не будет отвечать требованиям норм и стандартов. Поэтому необходимо разработать специаль- ные мероприятия по приготовлению и выдерживанию бе- тона при пониженных, как наиболее оптимальных, тем- пературах. Многочисленные опыты показали, что реология бе- тонных смесей во многом зависит от температуры. Поэто- му при зимнем бетонировании подогрев материалов или разогрев готовых бетонных смесей тем или иным спосо- бом должен всегда рассматриваться в связи с их удобо- укладываемостью и с набором бетоном прочности при последующем твердении. В прошлые годы приготовление и отпуск с бетонных заводов смесей, имеющих повышенную температуру (30—40° С), производились главным образом за счет по- догрева заполнителей и воды. В последнее время разра- ботаны такие эффективные способы предварительного разогрева бетонных смесей, как электроразогрев в бун- керах и пароразогрев в бетоносмесителях. В настоящее время, например, пароразогрев бетонных смесей в бето- носмесителях применяется на заводах сборного железо- бетона и на заводах товарного бетона в Дании, ФРГ, ГДР, Польше и других странах. Для этой цели использу- ются главным образом закрытые бетоносмесители прину- дительного действия. Опыт показывает, что смесь в них можно разогревать до температуры 60—80° С в течение 3—5 мин. Смесь разогревается более равномерно, чем при элсктроразогрсве, где вследствие неодинаковой элек- тропроводности смеси по высоте бункера возникают зна- чительные температурные градиенты. Для достижения равномерного разогрева смесей электротоком приходит- ся рассчитывать конструкцию электродов и изменять их поверхность по высоте бункера.
Элсктроразогрсв оказался очень эффективным на стройплощадках, непосредственно у мест укладки сме- сей в опалубку. Недостатком использования электрото- ка для разогрева смеси на заводах является кратковре- менная потребность в трансформаторах большой мощ- ности. Так же как и предварительный подогрев материалов, пароразогрев бетонной смеси в бетоносмесителе и ее элек- троразогрев оказывают значительное влияние на конси- стенцию смеси и прочность бетона, вызывая загустевание смеси и приводя к повышенной водопотребности. Хотя с повышением температуры вязкость воды затворения и снижается, однако ускоренное развитие процессов гид- ратации и схватывания цемента приводит к загустева- нию смесей, делает их трудпоукладывасмымп. Влияние температурного фактора па консистенцию бетонной смеси и прочность бетона было изучено еще в 30-е годы [9]. В этой работе было показано, что по- догрев материалов изменяет консистенцию бетонной сме- си только вследствие изменения консистенции цементно- го теста. Основываясь па опытах Б. Г Скрамтаева и И. А. Фалькова, авторы этого труда отмечали: «Так как консистенция бетона, выбранная в соответствии с усло- виями производства работ и характером бетонируемой конструкции, по может быть значительно изменена без ущерба для хода бетонирования, то при переходе к бе- тонной смеси с повышенной температурой перед строи- телем ставится дополнительная задача подобрать состав бетона, имеющий при подогреве смеси ту же консистен- цию, что и в нормальных условиях. Требуемая консистенция может быть восстановлена либо за счет увеличения водоцементного отношения (ВЩ), либо за счет увеличения содержания цементного теста при сохранении постоянного ВЩ, обусловленного заданной прочностью бетона, т. е. при повышении рас- хода цемента. Опыты показывают, что если пойти на увеличение ВЩ, то оно вызовет падение прочности бе- тона па 20 -30%. Так как такое падение прочности не- допустимо, то переходить к повышенному ВЩ можно только одновременно с заменой цемента марки 0 более высокими сортами цемента марок 00 и 000. Сохранение же консистенции бетона при повышен- ных температурах смеси может быть, как это было уже указано, достигнуто за счет увеличения расхода цемента 10—23 145
(с одновременным сохранением заданного ВЩ) при- мерно на 15—2О°/о». В свое время по вопросу влияния температуры це- ментного теста на его консистенцию были проведены ис- следования И. А. Киреенко [23], который показал, что с повышением температуры теста увеличивается необхо- димое количество воды для получения нормальной его густоты, что приводит к увеличению количества воды за- творения. Соответственно эта зависимость применима и к приготовлению бетонных смесей с повышенными тем- пературами. К сожалению, указанные выше отправные- положения технологии бетона о влиянии температурного фактора на консистенцию бетонных смесей и прочность бетона, раз- работанные еще в 30-е годы многими учеными, в настоя- щее время при разработке новых технологических прие- мов повышения температуры бетонных смесей до укладки порой остаются без внимания. Это приводит, как пра- вило, к серьезным заблуждениям ряда исследователей, оценивающих преимущества того или иного способа предварительного разогрева бетонных смесей. В Рекомендациях ВНИИЖелезобетона издания 1972 г. указывается, что консистенция разогретой бетон- ной смеси к моменту ее укладки обеспечивается увели- чением расхода воды по сравнению с расходом ее для смеси, укладываемой в холодном состоянии, на 5—25%. Увеличение расхода воды находится в зависимости от вида применяемого цемента, марки бетона, температур- ного режима разогрева, применяемых добавок и других факторов. О соответствующем увеличении расхода це- мента как данные Рекомендации, так и многие другие не указывают. О необходимости увеличения расхода цемента для со- хранения принятой величины водоцементного отношения при предварительном разогреве бетонной смеси указы- вают не многие авторы и инструктивные документы. То же можно сказать и о пароразогреве бетонных смесей в бетоносмесителях. В последнее время вопрос о влиянии температурного фактора на консистенцию бетонной смеси и прочность бетона особенно остро возник при производстве бетон- ных работ в условиях сухого жаркого климата. Как из- вестно, одной из важнейших проблем бетонирования в этих условиях является обеспечение требуемой конси- иа
ётенЦии бетонной смеси при ее укладке. При этом основ- ное внимание уделяется, как правило, вопросам сохране- ния подвижности и однородности смеси во время транс- портирования ее к объектам бетонирования или во время предварительного выдерживания до укладки в условиях повышенных температур. Значительно меньшее внима- ние уделяется вопросу обеспечения отпускной подвиж- ности бетонной смеси, имеющей повышенную темпера- туру. В то же время существует обратно пропорциональ- ная зависимость между температурой бетонной смеси Рис. 4.2. Влияние температуры бетона на осадку конуса и количество воды, требуемой на ее изменение (содержание це- мента 307 кг/м3, заполнитель крупностью до 3,8 см) / — осадка конуса; 2—водопотреб- ность и ее подвижностью, отмечаемая по некоторым литера- турным данным и подтвержденная исследованиями, про- веденными в лаборатории ускорения твердения бетона НИИЖБ. В условиях летних месяцев в районах с жарким кли- матом температура бетонной смеси при выходе ее из бе- тоносмесителя составляет около 30° С, иногда повышаясь до 35° С и даже более. При таких температурах смесь одного и того же состава имеет подвижность намного меньшую, чем при нормальных температурах. В связи с возникшими новыми технологическими решениями как при зимнем бетонировании, так и в усло- виях сухого и жаркого климата автором с Е. Н. Малин- ским, Е. С. Темкиным, О. А. Самусевым и А. Н. Невак- шоновым проводятся лабораторные и натурные ис- следования на строительных объектах в Ташкенте и Бухаре. В США в 1972 г. опубликованы Рекомендации по бе- тонированию в жаркую погоду. В этих Рекомендациях указывается, что повышение температуры свежеприго- товленной бетонной смеси на 10—12° С приводит к умень- шению ее начальной подвижности на 2,5 см (рис. 4.2). 10* 147
Водопотребность бетонных смесей с увеличением темпе- ратуры изменяется следующим образом. Температура бетонной сме- си, °C Количество воды на 1 м3 бетона, кг 5 10 20 25 30 35 40 157 160 163 167 170 173 177 180 Эти данные приведены без учета состава бетона, водо- цементного отношения, подвижности бетонной смеси, ви- да примененного цемента и заполнителя, а также других технологических факторов, которые оказывают сущест- венное влияние па начальную подвижность бетонной сме- си в зависимости от ее температуры. С целью установления влияния этих факторов на ха- рактер зависимости осадки конуса от температуры бе- тонной смеси автором совместно с Е. Н. Малинским (НИИЖБ) были проведены специальные исследования. В качестве примера на рис. 4.3 приведена зависимость между температурой различных бетонных смесей и их начальной подвижностью для бетонов на белгородском портландцементе марки 400. Исследования, проведенные на цементах различного минералогического состава и различной тонкости помо- ла, а также на бетонах различных составов, показали, что начальная подвижность одной и той же смеси при / = 20° С (для которой обычно устанавливаются нормы расхода цемента) и при / = 30° С различаются между со- бой и тем больше, чем ниже В/Ц. Чтобы установить это различие, приходится при приготовлении смеси с темпе- ратурой, равной 30° С, увеличивать расход воды, и со- ответственно цемента, при неизменном В/Ц. Проведен- ные исследования позволили установить зависимость расхода воды (и цемента) от температуры бетонной сме- си для получения равноподвижных (и равнопрочных) составов. На рис. 4.4 приведено графическое изображе- ние этой зависимости. Проведенные исследования выявили существенное влияние В/Ц и некоторое влияние консистенции бетон- ной смеси на характер ее изменения в зависимости от температуры. Существующими нормами, как мы уже указывали, не предусматривается увеличение расхода цемента при при- 148
Рис. 4.3. Зависимость начальной подвижности бетонной смеси с = 0,45 от ее температу- ры (заполнители — песок кварцевый с Л4кр = 2,4, щебень гранитный до 5—30 мм) Рис. 4.4. Зависимость расхода воды и цемента от изменения температу- ры бетонных смесей раз- личной подвижности. Бе- тон па портландцементе при ад = 0,45 Расход цемента^ кг/мз Рис. 4.5. Влияние темпе- ратуры на прочность бе- тонов при сжатии (по П. Клигеру)
готовлепии бетонной смеси с повышенной температурой и уменьшение его при производстве смеси с пониженной температурой. В то же время, как следует из рис. 4.4, при снижении температуры бетонной смеси ниже 20° С расход воды (а следовательно, и цемента) для получе- ния равноподвижных (и равнопрочных) смесей может быть значительно снижен. Ясно, что при учете этого обстоятельства при приготовлении бетонных смесей в зимнее время (без предварительного разогрева их) во многих случаях может быть достигнута экономия цемен- та. Во избежание перерасхода цемента при производстве бетонных работ при повышенной температуре необходи- мо применять различные добавки поверхностно-активных веществ и другие технологические приемы. Поверхност- но-активные добавки способствуют консервации конси- стенции смесей при транспортировании их к месту укладки. В связи с рассматриваемыми зависимостями расхода воды и цемента при различных температурах бетонных смесей на рис. 4.5 приведены результаты исследований П. Клигера (США) по установлению связи между проч- ностью бетона и температурой бетонных смесей, изготов- ленных на портландцементах. Прочность бетона испыты- валась не только в месячном возрасте, но и в более позд- ние сроки. Равнопрочные бетоны, рассчитанные на достижение марочной прочности к 28 сут, в дальнейшем набирали прочность тем больше, чем сиже была температура бе- тонной смеси при укладке. Таблица 4.2 ПРОЧНОСТЬ ОБРАЗЦОВ ПРИ СЖАТИИ, МПа Режим твердения образцов из портландце- мента после первого затворения Средняя прочность шести образцов Суммарная прочность за оба испытания после первого затворения после второго затворения В воде при температуре: 3°С (в холодном шка- 49,7 25,8 75,5 фу) 18° С 58 16,8 74,8 45° С (в термостате) 65 9,6 74,6 150
В связи с изложенным интересно также привести ре- зультаты одного опыта, проведенного автором. Образ- цы из цементного теста нормальной густоты были выдер- жаны в воде при температурах 3, 18 и 45° С в течение 28 сут, затем после испытания на прочность размолоты до тонкости помола цемента и снова затворены. Резуль- таты этих опытов (табл. 4.2) показали, что после перво- го затворения и твердения цемент имел еще достаточно высокую активность за счет оставшейся в ядре зерен не- гидратированной его части. При этом чем большая мас- са зерен цемента гидратировалась после первого затво- рения (признаком чего была более высокая прочность образцов), тем меньшая часть гидратировалась после вторичного (признаком чего была более низкая проч- ность образцов). Суммы прочности при обоих затворе- ниях при каждом из трех принятых температурных ре- жимов выдерживания оказались одинаковыми. После вторичного затворения все образцы хранились в воде при температуре 18° С. Продолжительность вы- держивания в воде в первом и во втором случаях состав- ляла 28 сут, т. с. всего цементные образцы твердели 56 сут. Образцы, твердевшие вначале при температуре 3° С, в общей сложности приобрели прочность большую, чем при 45° С. Надо полагать, что в дальнейшем эта разни- ца в прочности увеличилась бы еще больше. В заключение можно сделать вывод, что температура оказывает большое влияние как на свойства бетонной смеси, так и на прочностные характеристики бетона, при- готовленного из смесей при различных температурах. Рассмотренные выше положения распространяются на разнообразные климатические условия и в равной сте- пени имеют отношение как к производству монолитного железобетона, так и к производству бетонных и железобе- тонных изделий в заводских условиях.
ГЛАВА 5 ТВЕРДЕНИЕ И СВОЙСТВА БЕТОНА НА РАЗЛИЧНЫХ ЦЕМЕНТАХ И ЗАПОЛНИТЕЛЯХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА НА РАЗЛИЧНЫХ ЦЕМЕНТАХ В НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ Скорость нарастания прочности и конечная прочность бетона зависят от многих факторов. Основными из них являются активность цемента и водоцементное отноше- ние, поэтому прочность бетона является функцией пре- имущественно этих величин: Яб = /(ЯЦ, В/Ц). Рассмотрим скорость нарастания прочности бетона на цементах различного вида и активности в нормальных температурно-влажностных условиях. Как показывают исследования, цементы одного и того же вида и марки ча- сто имеют различную скорость нарастания прочности как в течение первого месяца, так и в последующий период. Объясняется это в большей части химико-минералогиче- ским составом цементного клинкера и введением на за- водах молотых добавок. Наибольшей скоростью твердения отличаются цемен- ты с высоким содержанием алюминатов кальция. При этом чем ниже основность алюминатов кальция, тем бо- лее высокая прочность достигается при твердении цемен- тов. Увеличение основности (т. е. увеличение количества молекул окиси кальция в составе минерала алюмината кальция) приводит к еще большему форсированию про- цессов схватывания и твердения глиноземистого цемен- та, вызывая при этом, однако, резкое снижение прочно- сти цементного камня, а следовательно, и бетона за счет образования высокоосновных гидроалюминатов кальция. При применении портландцемента с высоким содер- жанием трехкальциевого силиката наблюдается быстрое нарастание прочности в течение первого месяца и отно- сительно меньший прирост ее в последующий период. При повышенном содержании двухкальциевого силиката портландцемент медленно твердеет в течение первого месяца и прочность его более интенсивно увеличивается в последующем. Таким образом, с повышением в порт-. |52
лаидцементе содержания трехкальциевого силиката прочность бетона увеличивается (см. рис. 5.1). Для установления этой зависимости взяты результа- ты опытов с бетонами одного и того же состава, хранив- шимися в нормальных условиях, но в составе цементов содержалось различное количество C3S (от 25 до 61,5%). Как видно из графика, если при содержании в портланд- цементе 25% C3S бетон имел в месячном возрасте проч- ность 11 МПа, то при содержании в цементе 61,5% C3S прочность бетона того же со- става приближалась к 25 МПа. Естественно, что с повышени- ем в портландцементе содер- жания C3S марка цемента и скорость его твердения увели- чивались. Как было показано в гла- ве 2, при завершении процес- са гидратации портландцемен- та химически связывается и физически (адсорбционно) удерживается около 30% во- ды. Следовательно, при обыч- ных значениях В/Ц, больших 0,3, остальная вода, употреб- ляемая на затворение бетона, необходима только из-за недо- Рпс. 5.1. Прочность бето- на в 28-суточном возрас- те в зависимости от со- держания трехкальцие- вого силиката в порт- ландцементе статочно совершенных мето- дов уплотнения бетонной смеси. Введение избыточного количества воды приводит к снижению плотности и проч- ности, а следовательно, и стойкости бетона в различных средах. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению количества вводимой в бетонную смесь воды и к повы- шению эффективности способов уплотнения смеси при укладке. Выделение свободной извести при гидролизе и гидра- тации портландцементного клинкера характеризует ос- новность силикатов кальция и степень распада трехкаль- циевого силиката. При гидратации трехкальциевого си- ликата две молекулы СаО входят в состав гидросиликата и одна молекула СаО отделяется в виде свободного гидрата окиси кальция по следующему уравнению, да- ваемому в общем виде: 3CaO-SiO2-|-/7 Н2О—2CaO-SiO2-/7 H2O-J Са(ОН)2. 153
Теоретический расчет по приведенному уравнению nd- Называет, что свободного гидрата окиси кальция отде- ляется 33,5% массы прогидратированного трехкальцие- вого силиката. Незначительное количество гидрата окиси кальция выделяется при гидратации двухкальциевого силиката, а остальные минералы цементного клинкера не выделяют свободной извести. В связи с этим вид и количество тонкомолотых крем- неземистых добавок должны выбираться в зависимости от содержания трехкальциевого силиката в цементе. Ин- тенсивиость гидратации цемента и выделения при этом свободной извести ускоряется с повышением темпера- туры. Свободная известь, по существу, является основной причиной разрушения цементного камня при действии воды, фильтрующейся через толщу конструкций, а так- же при действии вод, содержащих различные агрессив- ные вещества. Гидрат окиси кальция растворяется в во- де и удаляется из бетона. Это явление хорошо известно строителям по встречаемым натекам белого цвета на по- верхности конструкций в гидротехнических и подземных сооружениях. Кроме того, при взаимодействии с раство- ренными в воде веществами известь может образовать с последними соединения, увеличивающиеся в объеме или легко растворяющиеся в воде. Возникновение в теле цементного камня образований с увеличенным объемом приводит к нарушению структуры бетона и его разру- шению. В наземных бетонных и железобетонных сооружени- ях не могут происходить подобные явления растворения и уноса гидрата окиси кальция из цементного камня. Однако в цементном камне свободная гидроокись каль- ция содержится, и если не возникает надобности связы- вать ее пуццоланическими добавками по мотивам водо- стойкости, то пуццоланизацию часто целесообразно осу- ществлять для использования извести при твердении цемента. Интенсивность нарастания прочности бетона в нор- мальных условиях до 180-суточного возраста проанали- зирована по материалам ряда исследователей. Большой интерес представляют результаты исследо- ваний В. И. Киселева (НИИЖБ), который изучал влия- ние модуля крупности песков на прочность бетонов, при- готовленных из подвижных и жестких смесей на различ- 154
ных цементах. При этом бетонные смеси готовились с водоцементными отношениями 0,4; 0,5; 0,65 и 0,8. При- менялись обычный и пластифицированный портландце- менты марки 500, а шлакопортландцемент марки 400 (по результатам испытаний в жестких растворах). Опыты показали (табл. 5.1), что до 180-суточного возраста из- Таблица 5.1 ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА В НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНСИСТЕНЦИИ СМЕСИ И ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯ Водо- цементное отношение Подвижные смеси Жесткие смеси *7:28 1 *90:28 I *180:28 *7:28 1 *90:28 1 *180:28 Бетон на портландцементе 0,8 0,62 1,35 1,38 0,7 1,3 1,33 0,65 0,61 1,21 1,24 0,72 1,2 1,41 0,5 0,76 1,24 1,28 0,75 1,23 1,26 0,4 0,76 1,13 1,22 0,86 1,14 1,21 Бетон на пластифицированном цементе 0,8 0,57 1,56 1,59 0,64 1,41 1,78 0,65 0,63 1,53 1,63 — 1,37 1,45 0,5 0,63 1,24 1,64 0,7 1,24 1,48 0,4 0,65 1,35 1,51 0,77 1,35 1,39 Бетон на шлакопортландцементе 0,8 0,44 1,46 1,53 0,45 1,46 1,69 0,65 0,47 1,44 1,72 0,48 1,33 1,7 0,5 0,51 1,25 1,43 0,65 1,34 1,55 0,4 0,59 1,18 1,35 0,71 1,28 1,43 менение модуля крупности песков от 2,5 до 1,2 не оказы- вает сколько-нибудь существенного влияния как на проч- ность, так и на коэффициент прироста прочности бетона во времени. Это относится в равной степени к бетонам, изготовленным как из подвижных, так и из жестких смесей. Коэффициент интенсивности твердения бетона в 7-суточном возрасте как у бетонов из подвижных сме- сей, так и из жестких увеличивается с уменьшением во- доцементного отношения. Однако у бетонов из жестких смесей значения коэффициентов интенсивности тверде- ния более высокие, чем у бетонов из подвижных смесей. 155
В возрасте 90 и 180 сут при одинаковых водоце- ментных отношениях значения коэффициента прироста прочности бетона из смесей различной консистенции по отношению к 28-суточной прочности ^28=1) практиче- ски оказались одинаковыми. С уменьшением водоцемент- ного отношения эти коэффициенты относительно снижа- ются. При этом следует отметить, что благодаря уменьшению на 40 л расхода воды на 1 м3 бетона, а со- ответственно и цемента, у бетонов из жестких смесей прочности были примерно на одну марку выше, чем у бе- тонов, изготовленных из подвижных смесей. При умень- шении В/Ц с 0,8 до 0,4 прочность бетона в 28-суточпом возрасте во всех случаях увеличивалась не менее чем в 2 раза. Следовательно, на абсолютное значение проч- ности и интенсивность ее нарастания, особенно в раннем возрасте, первостепенное влияние оказывает водоцсмепт- ный фактор. Объясняется это тем, что с уменьшением водоцементпого отношения и с повышением степени жесткости бетонных смесей густота цементного клея уве- личивается. При изготовлении бетонной смеси на пластифициро- ванном портландцементе расход его был меньше на 10%, а прочность бетона получилась почти в 1,5 раза меньше, чем у бетона на обыкновенном портландцементе такой же активности. В возрасте 7 сут прочность бе- тона в процентах от прочности бетона 28-суточного воз- раста получилась заметно меньше, чем па обыкновенном портландцементе. В дальнейшем к 90- и 180-суточному возрасту наблюдается некоторое увеличение темпа при- роста прочности по сравнению с прочностью бетона 28-суточного возраста. Это указывает на то, что с точки зрения ускорения твердения бетона нецелесообразно применять пластифицирующие добавки. На пластифици- рованном цементе, так же как и на обыкновенном порт- ландцементе, с уменьшением водоцементпого отноше- ния интенсивность твердения повышается. При этом прочность бетона в абсолютном значении с понижением В/Ц увеличивается в большей мере, чем на обыкновен- ном портландцементе. В. В. Стольников [55] приводит сравнение интенсив- ности нарастания прочности бетона на обычном и пла- стифицированном портландцементах, из которого видно, что в начальные сроки у бетона с пластифицирующими добавками твердение замедляется, а в возрасте трех лет 156
Таблица 5.2 НАРАСТАНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА НА РАЗЛИЧНЫХ ЦЕМЕНТАХ С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ Цемент Состав бетона по объему и В/Ц Прочность при сжатии в возрасте сут год 1 1 3 | 1 7 1 28 к'0 1 | 2 | 5 Глиноземистый цемент марки 300 1 : 2,48 : 4,05 В/Д=0,68 14,8 51 _21_ 72 25,8 89 29 100 29 100 3U6 109 32,2 111 Портландцемент мар- ки 400 (C3S = 61,5%) В/Ц = 0,71 _9_ 29 16,4 53 31 100 36,9 119 40,5 130 43,6 142 — Портландцемент мар- ки 400 (C3S = 490/ В/Ц = 0,72 5л4_ 27 10,8 55 19,8 100 24,8 125 31,0 156 31,3 158 31,4 158 Портландцемент мар- ки 300 (C3S = 380/ В/Ц = 0,78 2,2 18,3 5,3 44 12 100 20,1 167,5 21,7 181 — Портландцемент мар- ки 250 (C3S=19%) B/ZZ = 0,78 1,1 10,3 2 18,7 5,3 49,5 И\7 100 16,8 157 21,5 201 24,4 228 — Примечание. Над чертой прочность указана в МПа, а в знаменателе — в % от
коэффициент роста прочности получился практически одинаковым. Интенсивность твердения бетона на шлакопортланд- цементе примерно такая же, как и у бетона на пластифи- цированном портландцементе. При рассмотрении многочисленных эксперименталь- ных данных, полученных Г. М. Рущуком (Гипроцемент), установлен примерно такой же темп прироста прочно- сти бетона во времени. При этом следует отметить, что пуццолановые и пуццоланизированные портландце- менты показали значительный прирост прочности бе- тона до годичного возраста. Так, средний прирост проч- ности бетона на пуццоланизированном заводском порт- ландцементе марки 400 в годовом возрасте характери- зуется коэффициентом, равным 1,64, а на пуццолановом портландцементе (с добавкой 30% трепела) марки 250— 300 он увеличился до 2,08, т. е. за год прочность бето- на при твердении в нормальных условиях увеличилась вдвое. Для характеристики нарастания прочности бетона на различных цементах в нормальных условиях приведена табл. 5.2, составленная по результатам испытаний, про- веденных автором с участием Н. И. Кукуевой. В таблице приведены результаты испытаний бетона на пяти цементах только нормального хранения. Образ- цы выдерживались одновременно в воздушных условиях и в воде. Из этой таблицы видна скорость нарастания прочности до 1—2 лет на цементах достаточно характер- ных видов и активности. Глиноземистый цемент в суточ- ном возрасте обеспечивал прочность, равную половине марки бетона. Портландцементы до месячного возраста обеспечива- ли тем большую прочность бетона, чем выше была их активность и чем больше при этом в цементном клинке- ре содержалось C3S. В последующем, т. е. после месяч- ного возраста, цементы, содержащие меньший процент C3S (следовательно, с повышением содержания C2S), давали больший процент прироста прочности. НАРАСТАНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА В ТЕЧЕНИЕ 12,5 И 20 ЛЕТ В 1948 г. автором совместно с Н. И. Кукуевой в ла- боратории бетонов и вяжущих ЦНИПС были изготов- лены образцы из бетона размером 10Х10ХЮ см, из рас* 158
твора — MX? см и восьмерки, а также образцы иЗ цементного теста нормальной густоты 3,16X3,16X3,16 см и восьмерки. Опытные образцы были изготовлены на семи цемен- тах различного минералогического и вещественного со- става. Глиноземистый и шлакоглиноземистый (50% до- менного шлака и 50% цемента) цементы были получены с Пашийского завода. Три портландцемента получены с Воскресенского, Вольского и Польского цементных заводов. Портландцементы Воскресенского и Польского заводов были марки 400, а Вольского — 250. В работе был использован и магнезиальный шлакопортландце- мент Подольского завода, длительное время лежавший на стройке, активность которого снизилась до марки 150. Пуццолановый портландцемент марки 300 был достав- лен с элеватора. В качестве заполнителей для бетона применялся реч- ной песок с модулем крупности 2,35 и рядовой гравий крупностью до 25 мм. Пылевидных частиц в песке содер- жалось 1,5%, а в гравии—1,9%. Бетонные образцы из- готовляли состава 1 :2,48 4,05 с осадкой конуса 3—4 см при расходе цемента 250 кг/м3. Материалы дозировались по массе и перемешивались в бетоносмесителе вмести- мостью 250 л в течение 2—3 мин. Бетонная смесь в металлические формы укладыва- лась при помощи вибрации па лабораторной площадке в течение 30 с. Изготовленные образцы хранились 1 сут в формах при температуре 15—20° С, кроме образцов па пуццола- иовом портландцементе, которые извлекали из форм че- рез 3 сут. После распалубки образцы были направлены на воздушное, воздушно-влажное и водное храпение. Ку- бики на сжатие испытывались в возрасте: 1, 3, 7, 28, 180 сут, а также 1, 3, 5, 10 и 12,5 года. При воздушном хранении образцы находились в за- крытой камере на стеллажах. Влажность воздуха коле- балась от 60 до 80%. Воздушно-влажное хранение осу- ществлялось в камере нормального хранения, где влаж- ность воздуха поддерживалась до 90—95%. При водном хранении образцы помещали в железные глубокие противни. Температура в камерах летом со- ставляла 18—22° С, а в холодное время года 12—15° С. Следует отметить, что во избежание значительного влияния колебаний температуры на твердение образ- 159
Рис. 5.2. Нараста- ние прочности бе- тонов при хране- нии 12,5 года в различных усло- виях а — нормальное; б — воздушное; в — вод- ное. Бетоны приготов- лялись на цементах: / глиноземистом; 2 шлакоглипоземи- стом» 3 — портланд- цементе Вольского завода; 4 — то же, Польского завода; 5-ю же, Воскресен- ского завода; 5—маг- незиальном шлако- портландцементе; 7 — нуццолановом порт- ландцементе
цов в раннем возрасте во всех случаях первые 28 сут в камерах поддерживали температуру в пределах 17— 20° С. На рис. 5.2 приведены графики нарастания прочности бетона на сжатие при нормальном, воздушном и водном хранении образцов. Из этйх графиков видно, что бетон на глиноземистом и шлакоглиноземистом цементах при нормальном и воздушном хранении после годичного воз- раста несколько снизил свою прочность (но она все же оставалась выше марочной прочности), в то время как при водном хранении до 12,5 лет наблюдается некоторое повышение прочности. У бетона на портландцементах наблюдается непрерывный рост прочности в течение 12,5 лет. В возрасте 12,5 лет прочность бетона на порт- ландцементах и на пуццолановом портландцементе пре- вышала марочную в 1,6—1,9 раза; на воскресенском 11—23 161
портландцементе при воздушном хранении она была в 2,16 раза больше 28-суточной прочности бетона, твер- девшего в нормальных условиях. Наибольший прирост прочности во времени бетонов из портландцементов обеспечил магнезиальный шлако- портландцемент. В возрасте 12,5 лет прочность бетона на магнезиальном шлакопортландцементе была выше марочной в 2,22—2,72 раза. Как и следовало ожидать, наибольший прирост отмечается при водном хранении. При более влажном режиме хранения прочность бе- тона на Вольском портландцементе выше во все перио- ды твердения до 12,5 лет включительно. Этот вывод нельзя применять для бетонов на других портландцементах. Например, портландцемент Воскре- сенского завода с повышенным содержанием алюмина- тов показал наибольший прирост прочности бетона в ус- ловиях воздушного хранения. У бетона на глиноземистом цементе после 1—5-лет- него возраста при воздушно-сухом и нормальном хране- нии происходит некоторое снижение прочности, а при водном хранении — непрерывное повышение прочности. Бетон на глиноземистом цементе в суточном возра- сте имел 50%, а в семисуточном возрасте — 86—89% от 28-суточной прочности образцов нормального твердения, принятой за 100%. В последующем наблюдается, хотя и незначительное, превышение марочной прочности бе- тона на этом цементе. Бетон на пуццолановом портланд- цементе в трехсуточном возрасте приобрел 31%, а в 7-су- точном возрасте 54—58% прочности от марочной. В этом возрасте условия влажностного режима не оказали су- щественного влияния на темп роста прочности бетона. В последующем наилучшие результаты получились при водном хранении. На рис. 5.3 отражен спад прочности бетона, приго- товленного на Вольском портландцементе, после трех лет хранения во всех средах. После 10-летнего хранения опять происходит некоторый прирост прочности. При более детальном рассмотрении всех экспериментальных данных по испытанию цементных, растворных и бетон- ных образцов спады прочности во времени наблюдаются во многих случаях. В 1940 г. в лаборатории бетонов и вяжущих ЦНИПС были изготовлены образцы бетона на белитовом порт- ландцементе Чернореченского завода марки 250. На ос- 162
нове этого же цемента были приготовлены пуццолано- вый и шлакопортландцемент. Бетон применялся состава 1 2,5:4,3 с расходом цемента 250 кг/м3 при ВЩ = =0,67—0,7. Бетонная смесь приготовлялась с осадкой Рис. 5.3. Нарастание прочности бетона, приготовленного на портланд- цементе Вольского завода, при различных условиях хранения / — воздушное; 2 — нормальное; 3 — водное таллических формах размером 7X7X7 см. Бетон выдер- живался в нормальных условиях, был подвергнут пропа- риванию при 80° С, а также автоклавной обработке при 170° С. Параллельно с указанными для нормального режима твердения были приготовлены образцы на глиноземи- стом плавленом цементе состава 1 :3,1 : 4,4 с расходом П’ 163
цемента также 250 кг/м3 при ВЩ = §,7 Подвижность смеси и условия уплотнения те же, что и бетона на порт- ландцементе. После тепловой обработки в первый период тверде- ния образцы находились в камере нормального хране- ния, в воздушно-сухой камере, в воде и в земле. Прочность бетона на сжатие испытывалась сразу пос- ле тепловой обработки, через 3, 7, 30 и 180 сут. Пред- полагалось испытать бетон также в 2,5- и 10-летнем воз- расте, однако это автору не удалось осуществить. Об- разцы нормального, воздушно-сухого и водного хранения свыше 180-суточного возраста были утрачены. Сохрани- лись лишь образцы, которые были зарыты в земле на глубине 0,5—1 м. После 18-летнего пребывания этих об- разцов в земле часть из них испытали на сжатие, а ос- тальные были помещены в камеру нормального хране- ния. Здесь они пролежали еще 2 года, а затем в 20-лет- нем возрасте были испытаны на прочность. За 18-летний период бетонные образцы, находясь во влажных грунто- вых условиях, подвергались многократному заморажива- нию и оттаиванию. Результаты испытаний бетонных кубиков на сжатие в 7-, 30-, 180-суточном и 20-летнем возрасте представле- ны на рис. 5.4 и 5.5. Как это видно из рис. 5.4, прочность образцов, нахо- дившихся 18 лет в земле, непрерывно возрастала. При последующем нормальном хранении в течение двух лет у бетона на пуццолановом и шлаковом портландцемен- тах наблюдался небольшой прирост прочности, а на гли- ноземистом и портландском обнаружился спад прочно- сти по сравнению с 18-летним бетоном. Бетон на портландцементе и на глиноземистом це- менте при нормальной температуре как во влажной, так и в воздушно-сухой среде через месяц приобрел одина- ковую прочность, а к полугодовому возрасту у бетона на портландцементе в воздушно-сухом состоянии выявилось относительное отставание в росте прочности. Отставание, по-видимому, объясняется тем, что белитовый портланд- цемент сохраняет способность к накоплению прочности во времени при хранении его во влажной среде. Отстава- ние прочности при твердении в воздушно-сухих услови- ях происходит у бетонов на пуццолановом портландце- менте и несколько в меньшей степени на шлакопортланд- цементе.. 164
Рис. 5.4. Нарастание прочности бетона, хра- нившегося в течение 18 лет в земле и 2 года в нормальных условиях Бетоны приготовлялись: / — на глиноземистом це- менте; 2 — на портландце- менте Чернореченского заво- да; 3— на пуццолановом портландцементе; 4 — на шлакопортландцементе Рис. 5.5. Нарастание прочности бетона, пропаренного при / = 80° С и затем хранившегося в различных условиях и — нормальное; б — воздушно-сухое; в—водное; г— в земле. Бетоны приго- товлялись: / — на портландцементе Чернореченского завода; 2 — на пуццола- новом портландцементе; 3— на шлакопортландцементе 165
На портландцементе бетон без пропаривания при твердении до 6 месяцев мало чувствителен к различным влажностным режимам. С течением же времени у бето- на, находившегося в земле 18 лет, прочность увеличилась на 56% по сравнению с шестимесячным возрастом. Вы- держка же после этого в течение двух лет в нормальных условиях привела даже к спаду прочности (рис. 5.5). Тот же самый бетон, но пропаренный при 80° С, сразу после пропаривания имел прочность 76%' от /?30 с после- дующим нарастанием ее к 6 месяцам при нормальном хранении до 153%, в воде до 138%, в земле до 141%. Образцы, находившиеся в земле до 18 лет, значительно повысили свою прочность, которая составляла 263% от /?зо. Пропаренные образцы, находившиеся в воздушно- сухих условиях, в 30-суточном возрасте повысили проч- ность до 137% со спадом ее к 6 месяцам до 119%. Испытания показали, что после тепловой обработки при всех влажностных режимах прочность на сжатие продолжает расти, кроме пропаренного и запаренного бетона с последующим воздушно-сухим хранением; в этом случае к 180 сут наблюдается спад прочности соот- ветственно на 18 и 58%. Следовательно, бетон на белитовом портландцементе после пропаривания нуждается во влажных условиях твердения. В 18-летнем возрасте как пропаренный, так и запаренный бетон на портландцементе имел прочность значительно выше 28-суточной (марочной) прочности. Если у бетона на пуццолановом портландцементе во всех случаях после тепловой обработки имеет место при- рост прочности при последующем хранении, то на шлако- портландцементе к 180 сут наблюдается спад прочности. В 18-летнем возрасте бетон на шлакопортландцементе после пропаривания повысил прочность на 36% по срав- нению с марочной прочностью. Следует отметить, что применявшийся доменный шлак взамен части портланд- цемента обладал пониженной активностью. ВЛИЯНИЕ ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА Многочисленные исследования, в первую очередь И. Г. Малюги, Д. Абрамса и Н. М. Беляева, показали, что важнейшее качество отвердевшего бетона — его прочность — при прочих равных условиях зависит от 166
соотношения количества воды и цемента, т. е. от водоце- ментного (В/Ц) или, как оказалось более удобным на практике, цементно-водного (Ц/В) отношения, определя- ющего прямолинейный характер зависимости. Зависимость прочности бетона от водоцементного (цементно-водного) отношения прежде всего связана с процессом формирования структуры цементного кам- ня, происходящим в связи с гидратацией цемента. Оче- видно, что прочность це- ментного камня, а следова- тельно, и бетона должна за- висеть от плотности цемент- ного камня. Чем больше до- ля воды в цементном кам- не, тем меньше его проч- ность, а следовательно, и плотность. Кроме того, чем больше водоцементное от- ношение, тем больше оста- ток свободной, несвязанной воды и тем больше порис- тость бетона. Увеличение же пористости бетона, да- же на первый взгляд незна- чительное, обязательно вы- зывает снижение его проч- Рис. 5.6. Зависимость предела прочности бетона при сжатии /?б от Ц/В и от марки цемента 200—600. Возраст — 28 сут. Крупный заполнитель — гра- нитный щебень ности. На рис. 5.6 показана графическая зависимость между пределом прочности бетона при сжатии и цементно-вод- ным отношением (по данным И. П. Александрина). При расчете фактора прочности бетона — величины Ц/В — на практике пользуются формулой И. Боломея, установившего связь между /?б—Яц — Ц/В в виде линей- ной функции: Вб = АВц(Ц/В-Ь), где А и b — коэффициенты. Испытание многих цементов в бетоне подтверждает линейный характер зависимости и в то же время пока- зывает, что коэффициенты А и b для разных и даже для равномарочных цементов различны. На основании экспериментальных данных Б. Г. Скрам- 167
таев установил среднее значение коэффициентов для случаев, когда определяется испытанием в пластич- ном растворе (по ГОСТ 310—60) С изменением методи- ки испытания активности цементов и марок бетонов ко- эффициенты изменяются. Очевидно, что в связи с ростом марочности бетонов вообще и особенно при изготовлении высокопрочных бетонов пользоваться осредненной зави- симостью можно лишь для установления приближенного значения Д/В, тем более, что ряд специалистов, не отри- цая линейности функции, считает ее состоящей из двух прямых, пересекающихся в точке с абсциссой 2,5. Автор исходит из условия, что пока соотношение Ц/В в бетоне обеспечивает возможность полноты реакций ме- жду цементом и водой и бетонная смесь хорошо уплот- нена, а заполнители обладают достаточной прочностью для соответствующих марок бетона, функция представ- ляет собой единую прямую, по крайней мере в пределах от Д/В = 3,3 до Ц/В= 1,43. Такая точка зрения обуслов- лена самой природой связи между Ц/В и /?б, характери- зуемой степенью плотности цементного камня в бетоне, в котором плотно заполнены все пустоты между кусками и зернами заполнителя и покрыты все поверхности их цементным камнем. Иными словами, речь идет о прочно- сти материала, в котором единственным неплотным ком- понентом может быть только цементный камень. В связи с этим плотность бетона в долях от единицы выражается так: р = j В-аЦ = _ В-(\-аВЩ) 1000 1000 где Р— плотность в долях единицы; В— расход воды в бетоне в л/м3; Ц — расход цемента в бетоне в кг/м3; а—коэффициент, показывающий долю воды затворения, вошед- шей в реакцию с цементом, в л/кг. Из этой формулы линейность связи —Ц/В очевидна. Связь для случая, когда В = 200 л и а=0,2 л/кг, показа- на на рис. 5.7. Очевидно также, что прочность и плот- ность взаимно связаны. Перелом прямой /?б—Ц/В при Ц/В^2УЪ может по- лучаться вследствие затруднений в плотной укладке бе- тонных смесей с вязким цементным тестом. Уже при этом возникает возможность недостаточности содержания во- ды для нормальной гидратации цемента. Справедливость
этих положений подтверждена исследованиями, прове- денными в НИИЖБ. На рис. 5.8 изображены кривые нарастания прочности бетона на цементе до 30-суточного возраста. Нарастание прочности бетона при различных водоцементных отноше- ниях подвергалось особенно подробному изучению в пер- Рис. 5.7. Расчетная плотность бетона в % при различных зна- чениях Рис. 5.8. Прочность бетона, приготовленного па брян- ском портландцементе мар- ки 400, в зависимости от В/Ц при нормальных усло- виях твердения В Ц а Ц/В Р, 200 300 0,2 86 200 400 0,2 88 200 500 0,2 90 200 600 0,2 92 вые дни твердения. Как видно из приводимых на рис. 5.8 данных, при увеличении В/Ц от 0,4 до 0,7, что соответст- вует уменьшению Ц/В от 2,5 до 1,43, прочность бетона уменьшилась почти в 3 раза. Опыты показывают, что с уменьшением В/Ц до 0,4 при качественных заполнителях и способах укладки бетона можно получить марку по- следнего, равную примерно марке цемента. При сохранении общей закономерности уменьшения прочности бетона с увеличением В/Ц прямой пропорцио- нальности между прочностью бетона и активностью це- мента при употреблении различных цементов не наблю- дается. Объясняется это различием минералогического состава, тонкостью помола цемента и качеством запол- нителей. После месячного возраста, в котором обычно 169
определяется марка бетона, нарастание его прочности происходит в такой же зависимости от В/Ц. При этом чем больше значение В/Ц, тем больше увеличивается прочность бетона. И, наоборот, по мере снижения В/Ц и увеличения марки бетона прирост прочности со време- нем уменьшается. У быстротвердеющих бетонов и у бето- нов, твердеющих в воздушно-сухих условиях, вообще прирост прочности после 28 сут незначителен и наблю- даются ее спады. Наибольший прирост прочности бетона происходит в водной и воздушно-влажной среде. У бетонов на шла- копортландцементах и пуццолановых портландцементах после 28 сут прочность увеличивается более интенсивно, чем у бетонов на портландцементах. Бетоны на портланд- цементах с высоким содержанием C3S быстрее набирают прочность в ранние сроки, а на цементах с высоким со- держанием C2S вначале твердеют медленно, однако с те- чением времени интенсивность набора прочности относи- тельно увеличивается. Хорошей иллюстрацией набора прочности бетоном па одном и том же портландцементе, но при различных В/Ц служат результаты тех же опытов, проведенных в НИИЖБ И. М. Френкелем и М. В. Тесел- киной (рис. 5.8). В их опытах твердение бетона протека- ло в нормальных условиях. Водоцементное отношение колебалось от 0,3 до 0,7 При внимательном рассмотре- нии можно установить, что с уменьшением В/Ц не только повышалась прочность, но и возрастала скорость ее на- копления. Так, например, в суточном возрасте при В/Ц = = 0,7 бетон приобрел 15% марочной прочности, при В/Ц = ЪД она составляла 24% марочной прочности, а при В/Ц=0,3 уже 35%. В двухсуточном возрасте соответст- венно эти значения прочности составляли 32, 40 и 50% марочной. В целях ускорения твердения и одновременного повы- шения марки бетона часто прибегают к уменьшению во- доцементного отношения. Во избежание неоправданного перерасхода цемента при этом обычно используют дру- гие технологические приемы, приводящие к ускорению твердения бетона. Для ускорения твердения и повышения прочности бетона большое значение имеет применение более жестких бетонных смесей с уменьшенным водосо- держанием. Следует отметить, что с уменьшением В/Ц потери прочности бетона после раннего замораживания значительно снижаются. Следовательно, при зимнем бе- 170
тонировании необходимо стремиться к максимальному сокращению количества вводимой воды. Уменьшение во- доцементного отношения дает возможность получить по- вышенную прочность бетона (особенно в раннем возрас- •те) и сделать его менее чувствительным к действию мо- роза. ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА НА РАЗЛИЧНЫХ ЦЕМЕНТАХ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ОТ 1 ДО 40° С При наличии необходимой влажности твердение бе- тона, как правило, происходит тем интенсивнее, чем вы- ше его температура. С понижением температуры и осо- бенно с приближением се к 0°С твердение бетона резко замедляется, что особенно значительно сказывается в раннем возрасте. Объясняется это сильным снижением активности воды в химической реакции взаимодействия с цементом. При температуре окружающей среды 0°С вследствие продолжающейся реакции гидратации цемен- та, которая сопровождается тепловыделением, в бетоне некоторое время поддерживается положительная темпе- ратура. Переходу критической точки через 0°С препятствует скрытая теплота льдообразования. Замерзание в бетоне воды, связанное с переходом ее из жидкого состояния в твердое, происходит не сразу с наступлением температу- ры, равной нулю, а значительно ниже. Как было показа- но в главе 1, часть воды при отрицательных температу- рах вообще остается в жидкой фазе, поэтому твердение бетона продолжается, хотя и очень замедленно. При этом активные цементы, содержащие повышенный процент высокоосновных минералов клинкера, обеспечивают бо- лее быстрое накопление'прочности бетона. Малоактив- ные клинкерные цементы и цементы с тонкомолотыми до- бавками при температурах, близких к 0°С, более резко замедляют твердение растворов и бетонов. Данный вопрос имеет большое практическое значение при производстве работ как в зимних, так особенно в осенних или весенних условиях. Методы производства работ должны выбираться с учетом резкого замедления твердения растворов и бетонов с приближением темпе- ратуры к 0°С. Значительную роль в таких случаях игра- ют добавки — ускорители твердения — и соли, которые 171
снижают точку замерзания жидкой фазы в бетопе. Для упрощения способов производства работ и для обеспече- ния надлежащего качества бетона в названных выше ус- ловиях следует применять более активные и высокоэкзо- термичные цементы. С повышением температуры скорость твердения бето- нов на всех цементах увеличивается, а поэтому и требо- вания к активности цементов и содержанию добавок меняются. При установлении сроков распалубки и частич- ной или полной загрузки конструкций скорость нараста- ния прочности бетона на цементах различных видов и марок в зависимости от температуры в пределах от О до 40° С можно принимать по табл. 5.3. Таблица 5.3 ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ БЕГОНА НА СЖАТИЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ТВЕРДЕНИЯ, % ОТ 28-СУТОЧНОЙ (ТВЕРДЕНИЕ ПРИ £=20° С И №=90—100%) Бетон Срок тверде- ния, сут Средняя температура бетона, °C —3 1 0 5 1 10 | 20 30 | 40 Марки 200 на 1 4 6 10 18 27 36 портландцементе 2 — 8 12 18 30 43 55 марки 300 3 5 12 20 25 40 52 65 5 8 20 30 40 55 65 78 7 10 30 40 50 65 74 85 14 12 40 55 65 80 90 100 28 15 55 68 80 100 — — Марок 200—300 1 3 5 9 12 23 35 45 на портландцемен- 2 6 12 19 25 40 55 65 те марки 400 3 8 18 27 37 50 65 77 5 12 28 38 50 65 80 90 7 15 35 48 58 75 90 100 14 20 50 62 72 90 100 — 28 25 65 77 85 100 — Марки 400 на 1 8 12 18 28 40 55 портландцементе 2 — 16 22 32 50 63 75 марки 500 3 10 22 32 45 60 74 85 5 16 32 45 58 74 85 96 7 19 40 55 66 82 92 100 14 25 57 70 80 92 100 — 28 30 70 80 90 100 — — 172
Продолжение табл. 5.3 Бетон Срок тверде- ния, сут Средняя температура бетона, °C —3 1 0 5 1 >0 | 20 1 30 | 40 Марки 500 на 1 9 13 21 32 45 59 портландцементе 2 — 17 25 36 52 65 75 марки 600 3 — 23 35 46 62 75 85 5 — 34 47 58 75 83 90 7 20 42 57 68 85 90 100 14 30 58 73 82 95 100 — 28 35 75 83 92 100 — Марки 200 на 1 — 3 6 12 20 35 шлакопортландце- 2 — 4 7 12 20 35 50 менте марки 300 3 2 7 12 18 30 46 63 5 4 13 20 30 45 60 80 7 6 18 25 40 55 70 92 14 8 25 40 55 75 90 — 28 10 35 55 70 100 — Марок 200—300 1 3 6 10 16 30 40 на шлакопорт- 2 3 8 12 18 30 40 60 ландцементе мар- 3 5 13 18 25 40 55 70 ки 400 5 8 20 27 35 55 65 85 7 10 25 34 43 65 70 100 14 12 35 50 60 80 96 28 15 45 65 80 100 — Приводимые в этой таблице данные представляют со- бой средние значения, выведенные из большого числа опытов, проводимых в лаборатории ускорения твердения бетона НИИЖБ в 1970—1974 гг. и уточняют величины набора относительной прочности до 28-суточного возрас- та по сравнению с опубликованными в предыдущем изда- нии, которые были основаны на экспериментах 1939— 1941 гг. с некоторым уточнением по работам 1949— 1950 гг., когда марки цементов отличались от современ- ных. Кинетика роста прочности устанавливалась на бе- тонах, изготовленных из смесей подвижностью 6—8 см осадки конуса. При составлении табл. 5.3 использованы результаты исследований твердения бетонов, приготовленных из сме- сей с осадкой конуса 1—3 см. Для удобства использова- 173
ния этих данных при расчетах роста прочности бетонов до 28-суточного возраста приведены графики (рис. 5.9). Расходы и марки цементов приняты наиболее часто упот- ребляемые на стройках при возведении монолитных кон- струкций. При применении портландцементов, содержа- щих трехкальциевого алюмината более 6%, скорость на- Рис. 5.9. Нарастание прочности бетона при температурах от —3 до +40°С а — бетон марки 200 на портландцемеьте марки 300; б — бетон марки 400 на портландцементе марки 500; в — бетон марки 200—300 на шлакопортландцемен- те марки 400; г — легкий бетон марки 200 на портландцементе марки 400 растания прочности по сравнению с приводимыми данны- ми в табл. 5.3 и на графиках увеличивается примерно на 10%. Разница в скорости набора прочности бетона на двух цементах одинаковой марки, но с различным содер- жанием С3А приведена в табл. 5.4. В последние годы начинают применять легкие бетоны при возведении монолитных конструкций, поэтому были проведены специальные опыты по изучению скорости на- бора прочности керамзитобетоном и аглопоритобетоном (табл. 5.5) при температурах от —3 до 40° С.
Таблица 5.4 НАРАСТАНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА МАРОК 200-300 НА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ МАРКИ 400 БЕЛГОРОДСКОГО И ВОСКРЕСЕНСКОГО ЗАВОДОВ Возраст бетона, Средняя температура бетона в конструкции, вС —3 0 5 10 20 30 40 сут Б в Б 1 в Б 1 в Б 1 в Б 1 в Б 1 в Б 1 в */2 2 4 4 6 6 10 14 15 25 25 30 1 2 4 5 G 9 12 14 22 28 41 48 53 55 2 5 6 10' 14 18 24 26 30 40 48 53 63 70 70 3 8 10 18 22 25 32 35 40 50 60 69 75 85 90 5 14 17 28 35 38 46 50 55 65 70 81 85 98 98 7 18 20 37 43 48 53 56 60 75 80 91 95 100 102 14 20 25 51 59 67 72 72 80 87 92 104 105 28 25 30 70 75 84 85 93 93 100 100 _ Примечание. Б — портландцемент Белгородского завода (С3А<6%); В — то же, Воскресенского завода а (С3А>6%).
Таблица 5.5 НАРАСТАНИЕ ПРОЧНОСТИ ЛЕГКОГО БЕТОНА МАРКИ 200 НА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ МАРКИ 400, % Возраст бетона, сут Средняя температура бетона в конструкции, °C —3 0 5 К 1 1 А К 1 А К 1 1 А 1 1 2 3 3 5 6 2 3 4 9 11 14 13 3 4 5 18 20 23 24 7 6 7 35 37 48 45 28 15 16 65 67 79 73 Продолжение табл. 5.5 Возраст бетона, сут Средняя температура бетона в конструкции, °C 10 20 30 40 К 1 А К 1 А к 1 А К 1 А 1 10 10 25 24 50 48 61 61 2 24 26 50 50 63 65 75 76 3 37 40 63 62 73 75 85 86 7 58 53 80 80 91 91 97 97 28 83 82 100 100 — — — — Примечание. К — керамзитобетон; А — аглопоритобетон. На рис. 5.9, г приведены средние данные роста прочности бетонов на пористых легких заполнителях. Твердение бетона на шлакопортландцементе, равно как и на пуццолановом портландцементе, с понижением тем- пературы замедляется более значительно, чем на порт- ландцементе. Следует иметь в виду, что в зависимости от минералогического состава цементного клинкера, вво- димых молотых добавок, подвижности укладываемых сме- сей, водоцементного отношения скорости набора проч- ности могут существенно отличаться от указанных в таблицах и на графиках. Например, с изменением водо- цементного отношения, особенно в ранние сроки, ско- рость набора прочности у бетона весьма существенно от- личается от средних данных (табл. 5.6). При решении вопроса о распалубке или загрузке бе- тонных и железобетонных конструкций очень важно иметь не только данные о температурном режиме твер-
Таблица 5.6 КИНЕТИКА РОСТА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЦЕМЕНТНО-ВОДНОГО ОТНОШЕНИЯ Ц/В Прочность бетона, % от активности цемента в возрасте, сут в/ц * 1 3 1 28 3,33 30 47 57 ПО 0,3 2,86 28 45 55 100 0,35 2,5 25 38 48 80 0,4 2,22 20 32 40 70 0,45 2 16 27 34 63 0,5 1,81 14 22 28 56 0,55 1,67 12 19 25 50 0,6 дения бетона, но и результаты испытания прочности кон- трольных образцов, хранившихся по возможности в условиях, близких к производственным. Такие лаборатор- ные испытания дадут возможность на фактических со- ставах и материалах выявить более точно прочность бе- тона с учетом местных условий. Изменение прочности бетона во времени происходит по общему закону: внача- ле интенсивный набор прочности до определенного опти- мума, а затем постепенное снижение темпа ее роста. Быстрый набор прочности происходит на стадии разви- тия «лавинного» процесса гидратации цемента, далее — упрочнение в течение некоторого периода, зависящего от различных факторов, после чего интенсивность повы- шения прочности бетона убывает. ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА НА РАЗЛИЧНЫХ ЦЕМЕНТАХ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ОТ 40 ДО 100°С Оптимальными условиями для твердения бетона с точки зрения дальнейшего роста его прочности является начальное выдерживание при пониженных положитель- ных температурах, а затем в нормальных условиях или при повышенных температурах. Однако в зимних усло- виях и в ряде случаев скоростного строительства, не го- воря о заводском и полигонном изготовлении сборных железобетонных конструкций, имеется крайняя необхо- димость в ускорении сроков твердения бетона после его укладки. Для этих целей обычно требуется применение 12—23 177
того или иного способа тепловой обработки бетона в ран- нем возрасте. Как показали наши исследования, режим тепловой обработки следует выбирать в зависимости от принятых видов цементов и их минералогического со- става, заполнителей, водоцементного отношения, консис- тенции бетонной смеси. Эффективность различных способов тепловой обра- ботки не одинакова. Например, пропаривание бетона благодаря выгодному сочетанию высокой температуры с влажностью среды приводит к лучшим результатам, чем электропрогрев и воздушно-сухой обогрев. С повы- шением температуры и сроков тепловой обработки, а так- же при употреблении вместо чистых клинкерных цемен- тов цементов с молотыми добавками эффект пропари- вания бетона возрастает. Во многих случаях прогрев бе- тона на портландцементе (особенно на высокоалюминат- ном) при температуре 50° С и выше вызывает снижение прочности, по сравнению с прочностью бетона нормаль- ного твердения, достигающее 25% при неблагоприят- ных режимах. Поэтому в свое время было предложено в таких случаях прибегать перед началом прогрева к предварительному выдерживанию бетона при понижен- ных температурах. Малоактивные (с повышенным содер- жанием C2S) и смешанные портландцементы при благо- приятном режиме влажности бетона не дают снижения прочности его при прогреве, а, наоборот, повышают ее по сравнению с марочной. Относительная прочность бе- тона, выдержанного до 28 сут, после пропаривания или электропрогрева обычно составляет (% от прочности нормально твердеющего 28 сут бетона): на портландцементе 80—НО на пуццолановом портландцементе 90—115 на шлакопортландцементе 100—130 При этом учитывается полученная прочность как не- посредственно после тепловой обработки бетона, так и в последующем, при твердении его до 28-суточного возрас- та в нормальных условиях. Следовательно, при подборе состава бетона необходимо учитывать влияние тепло- влажностной обработки на фактически получаемую проч- ность бетона. При тепловой обработке бетона на заводах и полиго- нах железобетонных изделий особое значение имеет в большинстве случаев так называемая отпускная проч- 178
Рис. 5.10. Проч- ность бетона, при- готовленного на портландцементе марки 400, в за- висимости от дли- тельности пропа- ривания при раз- личных температу- рах, % ОТ /?28 Re [ Температура пропаривании °C % I 65» I jo - » I йй аа Ъ/1ЦО$\[)ас*од ^M£Hrpcl31\Rt 100 80 \ 60\ и I l i i i i i ।—rm— 20—\----------- о । । I I I I I I I I I I В/Ц =0,65; расход цемента289 30^^71 кттП 60 ’ШУЛ'ШШШ. 20 0 100 80 й г;| 12 18 24 36 12 18 24 8 12 18 8/Ц -00, расход цемента 375 % 3- 1м-180 МПа Ry [2Я =260 МПа н =34,2мпа Ri_______ Длительность пропаривания, ч □ Сразу после пропаривания угх Пропаренные с последующим нормаль - ным хранением в течение годней И Контрольные 7-и 28-дневные Рис. 5.11. Проч- ность бетона, при- готовленного на пуццолановом портландцементе марки 400, в зави- симости от дли- тельности пропа- ривания при раз- личных темпера- турах, % ОТ /?28 Время пропаривания Сразу после пропаривания Про пари Ван ио с последующим хранением до 28 дней „контрольные 7-и 28 -дневные 12: 179
ность бетона, определяемая через 12 ч после окончания тепловой обработки. На рис. 5.10, 5.11, 5.12 приведены данные о прочности бетона на трех видах цемента в процентах от /?28 в за- висимости от температуры и длительности пропарива- ния. Из приведенных диаграмм видно, что у бетона на О Сразу после пропаривания Пропаренные с последующим нормаль- ным хранением до 28 дней Ш контрольные 7-и 28 - дневные Рис. 5.12. Прочность бетона, приготовленного на шлакопортландце- менте марки 250, в зависимости от длительности пропаривания при различных температурах в % от /?2в портландцементе к 28-суточному возрасту после пропа- ривания имеется недобор прочности по сравнению с нормально твердеющими образцами; у бетона на пуццо- лавизированном портландцементе получаемый процент прочности относительно выше, чем у бетона на портланд- цементе, и, наконец, у бетона на шлакопортландцементе во всех случаях имеется превышение 28-суточной проч- ности нормального твердения. Объясняется это тем, что тонкомолотые активные добавки, а тем более доменные 180
гранулированные шлаки при прогреве вовлекаются в процесс твердения, обеспечивая тем самым относитель- ное приращение прочности бетона. Форсированная гидратация портландцемента без тон- комолотых добавок и без увеличенной добавки гипса при повышенных температурах приводит к быстрому образо- ванию кристаллических сростков и плотной оболочки но- вообразований. Эта оболочка мешает дальнейшему углу- блению процессов гидратации минералов клинкера. При введении же активных кремнеземистых добавок или до- менных шлаков выделение свободной гидроокиси каль- ция благоприятствует гидратации самого цемента и во- влекает в процесс твердения добавки. Портлапдцсмент- ный камень после тепловой обработки получается более хрупким и менее плотным, что и снижает его прочность. Лучшие результаты нами были получены при добавке 2% хлористого кальция или увеличенной добавке гипса. В этих случаях получалась высокая прочность при про- греве, но не наблюдалось снижения прочности бетона в дальнейшем. При употреблении быстротвсрдеющих це- ментов, жестких смесей и более жирных составов бетона интенсивность нарастания прочности бетона увеличива- ется. По соображениям оптимального режима для тверде- ния бетона температура ниже 60° С может применяться только при употреблении высокоалюминатных и быстро- твердеющих портландцементов. При тепловой обработке бетона на глиноземистом цементе не достигается дополнительное ускорение его твердения. Поэтому такой бетон, как правило, не реко- мендуется подвергать тепловой обработке. За основную характеристику (марки) бетона принят предел прочности его при сжатии. Пределы прочности бе- тона при разрыве, изгибе, ударе, истирании и т. п. при- близительно определяют от пропорциональной зависи- мости их от величины предела прочности при сжатии. Некоторые данные о характеристике прочности бетона не только при сжатии, но и при других видах испытания приводятся ниже- В порядке обобщения характера поведения различных цементов при тепловой обработке приведена диаграмма сравнительной прочности бетона в 28-суточном возрасте после того, как он подвергался тепловлажностной обра- ботке (рис. 5. 13). Наибольший эффект достигается при 181
употреблении шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента и наименьший — при употреблении глиноземистого цемента. На диаграмме за 100% принята прочность бетонов на всех видах цементов, полученная при нормальном 28-су- точном хранении. Во всех случаях производится сравне- ние (в процентах) прочности бетонов, подвергшихся тепловой обработке, а затем твердевших до 28 сут в нор- мальных условиях с /?2в нормального хранения. Учитывая, что тепловая обработка бетона оказывает неодинаковое Рис. 5.13. Эффективность про- паривания бетона па различ- ных цементах (прочность бето- на дана в процентах после про- паривания и нормального хра- нения до 28-суточного возрас- та) при различных условиях 1 — нормальное хранение бетона на всех видах цемента — 28 сут; 2 — пропаривание бетона на портланд- цементе с содержанием С3А более 8% через 1—2 ч после укладки: 3— выдерживание бетона до пропа- ривания в течение 8—12 ч или до- бавка гипса; 4 — пропаривание бе- тона на шлакопортландцементе; 5 — то же, на пуццолановом порт- ландцементе; 6 — то же, на глино- земистом цементе действие на цементы одного и того же вида и мар- ки, рекомендуется перед началом работ осуществлять пробную теплообработку бетонных образцов на имею- щемся на строительстве цементе при требуемых темпера- турах. В результате таких опытов уточняются состав бетона и расход цемента. При этом может оказаться, что при прогреве необходимо уменьшить расход шлакопортланд- цемента, а расход некоторых портландцементов увели- чить по сравнению с расходом цемента, установленным для нормального режима твердения. Эффективность прогрева бетона с различными расхо- дами цемента, а следовательно, и водоцементными отно- шениями не одинакова. С уменьшением водоцементного отношения интенсивность твердения бетона возрастает. Так, например, при расходе портландцемента марок 400—500, равном 300 кг/м3, после 12 ч пропаривания при / = 80° С прочность бетона составляет 50% от /?28, а при расходе 500 кг/м3 она увеличивается до 65%. 182
С уменьшением расхода цемента до 200—250 кг/м3 интенсивность роста прочности бетона снижается (рис. 5.14). Объясняется это тем, что цементное тесто, как и всякий минеральный клей, с увеличением его гус- тоты затвердевает быстрее. Указанная на рисунке за- висимость получаемой прочности при пропаривании бе- тона от расхода цемента получена при работе с бетон- ными смесями подвижностью 2—3 см. Одновременно с увеличением количества выпускае- мых заводами цементов в настоящее время значительно Рис. 5.14. Интенсивность на- растания прочности бетона при пропаривании в зависимости от расхода цемента Расход портландцемента улучшилось их качество Средняя активность цемента превышает 40 МПа. По заводским данным о минералоги- ческом составе портландцементных клинкеров, в боль- шинстве случаев содержание трехкальциевого силиката в них повысилось до 50—65%. Повышается тонкость по- мола цемента и улучшается обжиг цементного клинкера. Благодаря переходу на жидкое топливо (вместо пыле- видного каменноугольного) алюминатпость цементов уменьшилась. Введение активных молотых добавок по- вышает эффективность тепловой обработки бетона желе- зобетонных конструкций, однако снижает его марочную прочность. За счет использования жестких бетонных смесей с по- ниженным водоцементным отношением могут быть зна- чительно сокращены сроки пропаривания. В табл. 5. 7 приведены результаты наших совместно с Г А. Аробелид- зе испытаний бетона на различных цементах после пропа- ривания при 80° С в течение 7, 13 и 19 ч. Как показали опыты, повышение температуры до 95° С практически не приводит к ускорению твердения бетона на заводских портландцементах- Введение же до- бавки к портландцементу в количестве 25% тонкомоло- 183
Таблица 5.7 ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПРИ СЖАТИИ ОТ Цемент Общий расход вяжущего в кг на 1 м3 бетона Состав вяжущего В/Ц Осадка стандарт- ного конуса, см Прочность бето- на через 28 сут нормального хранения, МПа составляющие содержа- ние, % Портландце- мент Воскресен- ского завода 300 Портландце- мент 100 0,48 33,3 Портландце- мент, трепел 75 25 0,66 1,5 23,6 Портландце- мент, гранулиро- ванный шлак 70 30 0,46 34,6 Портландце- мент Белгород- ского завода 300 Портландце- мент 100 0,5 Пор гланд це- мент, трепел 0,' 20,6 Портландце- мент, гранулиро- ванный шлак 70 30 0,5 Портландце- мент Белгород- ского завода 500 Портландце- мент 100 0,34 5 54 Портландце- мент, трепел 75 25 0,52 0,5 Портландце- мент, гранулиро- ванный шлак 70 30 0,37 48,4 Шлакопорт- ландцемент 300 Шлаконорт- ландцемент 100 0,51 19,3 400 То же 100 0,37 3,5 24,8 Примечания: 1. Среднее время выдержки бетона перед пропарива 2. Повышение температуры до 80° С осуществлялось 3. Образцы остывали вне камеры пропаривания в тече 184
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОПАРИВАНИЯ ПРИ 80° С Продолжитель- ность изотерми- ческого прогре- ва, ч Прочность образцов 10X10X10 см, МПа, через Прочность бетона, % от марки бетона на том же вяжущем в возрасте Прочность бетона, % от марки бетона на цементе без добавки в возрасте 3 ч 28 сут 90 сут 3 ч 28 сут 90 сут 3 ч 28 сут 90 сут 7 22,1 30,2 37,4 66 91 113 66 91 113 13 23,2 32,3 35 70 97 108 70 97 108 19 24,7 30,5 37,8 74 92 114 74 92 114 7 22,3 26,6 33,2 95 ИЗ 141 67 80 100 13 24,7 26,8 31,5 104 114 134 74 81 95 19 25 26,4 30,3 106 112 129 75 79 91 7 25,3 33,7 38,2 73 97 76 101 115 13 29,7 37,8 40,3 86 109 89 114 121 19 31,2 36 39,2 90 104 94 108 118 7 16.3 35,1 35,8 56 120 123 56 120 123 13 20,6 30,7 35 71 105 120 71 105 120 19 23,7 30,6 35,; 81 105 121 81 105 121 7 16 18,2 25,5 78 89 Г24 55 62 88 13 22,2 — 26 108 126 76 89 19 23,8 21 28,3 116 102 137 82 72 97 7 15,6 31.3 39,2 48 97 122 54 107 134 13 21,1 33,6 40 66 104 124 72 115 137 19 24,3 33,8 38,8 76 105 121 83 116 133 7 39,7 60,1 63,3 73 111 117 73 111 117 13 19 43 43,7 56,9 54,3 62,4 62 80 81 105 101 116 115 80 81 105 101 116 115 7 13 19 27,4 29 30,7 30,9 32,7 35,4 38,7 35,4 83 88 93 94 100 108 118 108 51 54 57 57 61 65 72 65 7 13 32 39,9 50,4 52,4 57,4 64 66 82 104 109 119 132 59 74 94 97 106 119 19 43,2 49,1 60,2 89 102 124 80 91 102 7 13 19 13 16,6 17,6 23,8 23,1 30,2 27 25,4 67 86 91 124 120 157 140 132 67 86 91 124 120 157 140 132 7 13 19 20,7 25,6 26,4 39,7 40,9 39,8 42,6 46,5 46,1 83 103 106 160 165 161 171 187 186 83 103 106 160 165 161 171 187 186 ч. нием составляло 4—5 в течение 3 ч. ние 3 ч при температуре воздуха 20—25® С. 185
того трепела или гранулированного шлака обеспечивает эффективность повышения температуры пропаривания до 95° С. Пропаривание бетона на высокосортном цементе и при низком ВЩ при температуре 80° С в течение 7 ч (плюс 3 ч на подъем температуры и 3 ч на остывание), как правило, обеспечивает получение прочности бетона до 50—75% от /?28- В дальнейшем с увеличением длитель- ности пропаривания бетона с 7 до 13 ч имеет место при- рост прочности до 70—80% от /?2в- Таким образом, эф- фективность увеличения сроков пропаривания такого бетона падает. Более продолжительный срок тепловой обработки такого бетона при 80° С оказывался совсем нецелесообразным. Следует отметить, что расход порт- ландцементов в этих случаях составлял 300 и 500 кг/м3, малоподвижная бетонная смесь изготовлялась на гранит- ном щебне и москворецком песке хорошего качества. При введении тонкомолотого гранулированного шла- ка эффективность пропаривания сохраняется до 1 сут, а при добавлении молотого трепела этот срок достигает 12 ч. С уменьшением водоцементного отношения и с уве- личением жесткости укладываемой бетонной смеси эф- фект кратковременного пропаривания возрастает. Сле- довательно, при работе с высокопрочными бетонами сро- ки пропаривания могут быть значительно сокращены. ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ Использование шлакопортландцемента при производ- стве бетонных и железобетонных работ в зимних услови- ях в большинстве случаев является нежелательным. Иск- лючением является укладка бетона в массивные констру- кции и применение тепловой обработки. В других случа- ях при отрицательных температурах требуются только быстротвердеющие повышенной марки шлакопортландце- менты. К сожалению, в настоящее время на зимние стройки в большом количестве доставляются шлакопорт- ландцементы невысоких марок. Это приводит к удоро- жанию и усложнению методов производства работ, к длительному выдерживанию монолитных конструкций до распалубки. Желательно, чтобы поступающие на зим- ние стройки шлакопортландцементы содержали меньшее количество добавляемого к цементу шлака. 186
Опыт применения их у нас имеется начиная с тридца- тых годов [47]. Учитывая экономичность этого цемента, так как для его производства используются отходы ме- таллургического производства, он в достаточно больших количествах выпускается в ФРГ, ГДР, Бельгии, Фран- ции, Польше, Чехословакии и других странах. Шлако- портландцемент экономически выгодно использовать при возведении массивов (плотин, фундаментов), при уклад- ке бетона в агрессивных средах, особенно в сульфатных водах. Шлакопортландцемент, например, применялся при восстановлении разрушенной плотины Днепрогэс, при сооружении плотины Каховской ГЭС и других. Для строительства Каховской ГЭС автором были про- изведены испытания бетонов на шлакопортландцементе на прочность и морозостойкость. Были сделаны рекомен- дации по повышению прочности и морозостойкости бето- нов, которые изготовлялись из весьма подвижных смесей. В одном из первых нормативных документов по про- париванию бетона автором в 1938 г. отмечалось, что на- ибольший эффект от пропаривания в сравнении с нор- мальным твердением имеет место при применении шла- копортландцемента. Интенсивность твердения цементов с добавкой домен- ных шлаков как при пропаривании, так и в нормальных условиях зависит от вещественного и химико-минерало- гического состава компонентов (цемента и шлака), их дисперсности и гранулометрического состава, микро- структуры и др. Особенно велико многообразие факторов, влияющих на характер твердения шлакопортландцементов, состав- ляющие которых сильно различаются по своей гидрав- лической активности, размалываемости и другим харак- теристикам. Например, вещественный состав этих це- ментов может колебаться в значительных пределах (допустимое содержание шлака в шлакопортландцемен- тах по стандарту, составляет от 30 до 60%, а в некото- рых случаях допускается содержание и 70% шлака). Процессы твердения шлакопортландцемента, особен- но с высоким содержанием шлака, по сравнению с порт- ландцементами в целом являются более сложными, по- скольку более сложен их состав, а клинкерный и суль- фатный компоненты в составе шлакопортландцементов кроме своих обычных функций способствуют также про- 187
явлению скрытой гидравлической активности доменных гранулированных шлаков. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на свойства и интенсивность твердения этих цементов, явля- ется дисперсность и гранулометрический состав. В на- стоящее время цементная промышленность СССР выпус- кает в основном шлакопортландцементы сравнительно невысокой дисперсности, содержащие более 50% шлака и характеризующиеся марками 200—400. Бетоны на этих цементах отличаются медленным ростом прочности, осо- бенно в условиях низких положительных и отрицатель- ных температур. Применение их для изготовления сбор- ного железобетона требует некоторого удлинения изотер- мического периода или перерасхода цемента на 10—12% по сравнению с равномарочными портландцементами. Несмотря на это, применение этих бетонов в целом ряде случаев вследствие меньшей их себестоимости экономи- чески оправдано (при заводском изготовлении железобе- тона, в подводных гидротехнических сооружениях, в со- оружениях, подверженных воздействию агрессивной, в частности сульфатной, среды). Однако для интенсивного твердения шлакопортланд- цементов необходимо, чтобы их дисперсность характери- зовалась удельной поверхностью не менее 3500— 4000 см2/г при ограниченном содержании шлака в цемен- те (30—50%). Такие цементы эффективно могут приме- няться для изготовления бетонов, твердеющих как в ус- ловиях обычных температур, так и при тепловой обра- ботке. С участием С. А. Высоцкого и И. В. Смирновой в лаборатории методов ускорения твердения бетонов НИИЖБ проведены исследования по определению ра- ционального количества шлаков в цементах при тепло- вой обработке бетонов. В экспериментах были использо- ваны вяжущие, приготовленные путем совместного помо- ла воскресенского клинкера и тульского шлака, а также магнитогорских клинкера и шлака, гранитный щебень наибольшей крупностью 20 мм и речной кварцевый песок с jWKp=l,82. Эксперименты проводились на бетонах двух составов 1 2,02 3,43 (В/#=0,4) и 1 3,51:5,33 (ВЩ= = 0,6), изготовлявшихся из бетонных смесей примерно одинаковой жесткости (35—45 с). При этом бетонные смеси на цементе с содержанием 80% шлака характери- зовались несколько большей величиной жесткости (при- 188
мерно на 10 с) по сравнению с клинкерным цементом. Физико-механические свойства применявшихся цемен- тов, по данным НИИЦемента, приведены в табл. 5.8, из которой следует, что «разбавление» клинкера шлаком приводит к уменьшению прочности растворов на сжатие, одпако при этом прочность на растяжение при изгибе остается примерно на одном уровне. Применяемый как добавка, шлак имел высокую активность. Приведенные на рис. 5.15, а, б данные свидетельству- ют о том, что в условиях нормального твердения увеличе- ние содержания шлака в цементе до 40% незначительно влияет на изменение прочности бетона, однако в бетонах с В/Ц=0,6 наблюдается тенденция к снижению прочности. Дальнейшее же увеличение содержания шлака от 40 до 80% сопровождается резким падением прочности бетона, составляющем 32—36%• На полученных нами результа- тах сказывается несколько большая дисперсность цемен- та с содержанием 40 и 80% шлака по показателю остатка на сите 10 000 отв/см2 при одинаковой удельной поверх- ности цементов (см. табл 5.8). Кроме того, некоторые исследователи отмечают меньшее содержание Кристалли- ческой гидроокиси кальция, что объясняется связывани- ем ионов Са+2 из жидкой фазы твердеющей системы зернами шлака с образованием гелевых масс гидросили- катов кальция, а также образованием более плотной гидросиликатной гелевой структуры. Это в свою очередь благоприятно отражается и на механической прочности бетонов на шлакопортландцементах, в особенности — на прочности при растяжении. При этом в растворных об- разцах, предназначенных для определения активности цементов, увеличение отношения прочности при изгибе к прочности при сжатии по мере увеличения содержания шлака в цементах происходит, по-видимому, в большей степени, чем в бетонах. Пропаривание приводит к существенному росту проч- ности бетонов на цементах с высоким содержанием шла- ка. Исходя из приведенных результатов можно сделать вывод, что прочность бетонов на цементах с различным содержанием шлака через 10—12 ч после пропаривания находится примерно на одном уровне (как при В/Ц=0,4, так и при В/Ц—0,6). Последующее твердение бетона после пропаривания в нормальных условиях в течение 27 сут протекает по-разному в зависимости от вещест- венного состава цементов и водоцементного отношения. 189
Таблица 5.8 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ КЛИНКЕРА ВОСКРЕСЕНСКОГО ЦЕМЕНТНОГО ЗАВОДА И ТУЛЬСКОГО ШЛАКА. ДОБАВКА 5% ГИПСА СВЕРХ 100% Состав цемента по массе, % Тонкость помола цемента Сроки схватыва- ния, ч—мин Прочность, МПа, при Удельная поверх- ность, см2/г Остаток на си- тах, % Нормальная густота цементного теста, % Рас- плыв конуса, мм изгибе сте, в возра- сут сжатии сте, в возра- сут клинкер шлак 0,085 0,083 начало конец 28 28 100 0 3700 8,6 20 25,5 2 3—45 116 5,6 7 37,2 48,1 80 20 3760 6,7 17 25,75 2—40 3—55 116 6 6,5 35,2 46,9 60 40 3720 7 14 25,75 2—30 4—10 118 5,8 7 32,7 40,5 40 60 3540 6,4 17 26,75 3—50 5—35 119 4,8 7,4 27,2 20 80 3520 5,8 12 27,5 3—55 5—45 122 5.2 7,3 23,5 32,2 0 100 3583 2,7 12 28,25 4—25 9—40 122 4,5 5,5 11,8 14,7
Бетон на клинкерном цементе увеличивает прочность в 1,16 раза при ВЩ=0,4 и в 1,19 раза при В/Д=0,6, на цементе с содержанием 40% шлака — соответственно в 1,22 и в 1,31 раза и на цементе с содержанием 80% шла- ка— в 1,04 и в 1,27 раза. По-видимому, в цементах с вы- соким содержанием шлака клинкерная составляющая цемента после пропаривания в значительной степени ис- черпывается, а оставшиеся негидратпрованными зерна клинкера и шлака не в состоянии обеспечить дальнейше- го набора прочности в условиях твердения при комнат- ных температурах. Вследствие этого в 28-суточном возрасте после про- паривания прочностные характеристики бетонов на це- ментах с умеренным содержанием шлака (40%), как правило, на 10—15% превышают соответствующие по- казатели бетонов на цементах с содержанием шлака 60—80%. Можно предположить, что по мере дальней- шего твердения эта разница будет увеличиваться и пре- имущества цементов с умеренным содержанием шлака будут сказываться в еще большей степени. Анализируя данные, приведенные на рис. 5.15, необ- ходимо отметить в ряде случаев некоторый недобор проч- ности пропаренных бетонов к 28 сут последующего твер- дения в нормальных условиях по сравнению с марочной прочностью. Для бетона на клинкерном цементе этот не- добор составил 8% при В/Д=0,4 и 15%—при ВЩ= = 0,6, а на цементе с содержанием 40% шлака—7—6%,в то время как бетон с содержанием 80% активного с повы- шенной тонкостью помола шлака показал значительное превышение марочной прочности (примерно на 20%) уже через 10—12 ч после пропаривания по режиму 3+6+3 ч при 95° С. Подобное явление объясняется деструкцией свежеотформованного бетона вследствие температурного расширения его компонентов. Однако в большинстве слу- чаев при пропаривании бетонов на шлакопортландцемен- тах по близкому к рассматриваемому режиму обычно получалось превышение прочности пропаренного бетона в 28-суточном возрасте над марочной (на 10—20% и бо- лее). Это, по-видимому, объясняется применением завод- ских шлакопортландцементов сравнительно невысокой активности (по сравнению с применявшимися в рассмат- риваемых экспериментах). Необходимо также принимать во внимание минерало- гический состав воскресенского клинкера, отличающего- 191
ся, как правило, повышенным содержанием С3А. В усло- виях пропаривания это приводит к формированию круп- нокристаллического каркаса из кубического С3А-6Н2О с повышенной равномерной пустотностью. Из сравнения данных, приведенных на рис. 5.15 и 5.16, видно, что от- носительная прочность бетонов на цементе с повышенным Содержание шлака 8 цементе, % Рис. 5.15. Изменение прочности бетона в зависимости от со- держания шлака в цементе при различ- ных условиях тверде- ния а - В/Ц=0,4; б - В/Ц= =0,6; 1 — 28 сут тверде- ния при нормальных ус- ловиях; 2 — пропарива- ние по режиму 34-64-3 ч при f=95° С; 3 — то же, затем 28 сут твердения в нормальных условиях содержанием шлака после пропаривания и последующе- го твердения значительно превышает этот показатель для бетонов на цементах, содержащих до 40% шлака. Пред- ставленные на рис. 5.16 данные о нарастании прочности бетона при пропаривании свидетельствуют о том, что для бетонов на исследованном цементе, содержащем до 60— 80% шлака, не требуется увеличения длительности изо- термической выдержки более 8 ч. При коротких режимах пропаривания, особенно в бетонах невысоких марок, вы- 192
Являются преимущества цеМейтЭ, Содержащего 40% шла- ка и чистого клинкерного цемента. К 28 сут последующе- го твердения в нормальных условиях прочность бетонов, пропаренных по различным режимам (рис. 5.16), в зна- чительной степени выравнивается и практически не за- висит от длительности изотермического периода. Рис. 5.16. Изменение прочности бетона, приготовленного на цементах с различ- ным содержанием шлака, в зависимости от длительности изо- термической выдерж- ки при / = 95° С а-В/Ц=0,4; 6 — ВЩ =0,6; 1—содержание шлака 40%; 2 — то же, 80%; 3— без шлака. Сплошными линиями по- казаны испытания через 10—12 ч после пропарива- ния, пунктирными — ис- пытания в возрасте 28 сут после пропарива- ния Таким образом, проведенные исследования подтвер- дили преимущества применения шлакопортландцемента с умеренным содержанием шлака. Полученные результа- ты показывают, что при использовании высокой активнос- ти портландцементного клинкера и до 70% основного шлака при тепловой обработке можно получить бетоны средних марок (200—300). При выборе цемента для бетонирования в зимних ус- ловиях необходимо учитывать замедленное твердение 13-23 193
цементов с высоким содержанием шлаков, особенно при невысоких температурах тепловой обработки. В связи с этим в зимнее время при бетонировании немассивных конструкций следует применять лишь быстротвердеющие шлакопортландцементы, которые должны содержать не более 30—50% шлака и иметь марку не менее 400. ТРЕБОВАНИЯ К ЦЕМЕНТАМ, ЗАПОЛНИТЕЛЯМ И ДОБАВКАМ За последние годы в строительстве все более широ- кое применение находит быстротвердеющий бетон высо- кой прочности — марки 400—500 и более. Технологичес- кие особенности приготовления такого бетона еще недос- таточно полно освещены в литературе и инструктивных материалах, что в значительной мере мешает успешному внедрению его в массовое строительство при сборном и монолитном железобетоне. Применение такого бетона представляет интерес и при зимнем бетонировании. Ос- новным требованием для внедрения бетона высокой проч- ности является получение быстротвердеющих высоко- прочных портландцементов, щебня из твердых горных пород, изготовление жестких бетонных смесей с малым водоцементным отношением и введением пластифициру- ющих добавок совместно с ускорителями твердения. Из портландцементов для приготовления высокопроч- ного быстротвердеющего бетона наиболее целесообразно применять высокоалитовые цементы с высоким содержа- нем одного из минералов — плавней (С3А или C4AF). Для бетонов, твердеющих в естественных условиях, следует применять высокоалитовые алюминатные портландце- менты. Для бетонов, подвергаемых тепловлажностной обработке, значительно эффективнее оказываются алито- во-алюмоферритовые портландцементы. Точка зрения о преимуществе белитовых портландце- ментов для бетонов, подвергаемых тепловой обработке, справедлива только при длительных циклах прогрева, обеспечивающих высокую относительную прочность бе- тона, в особенности при автоклавной обработке его. Опыты показали, что алитовые и высокоалитовые порт- ландцементы, составляющие основную продукцию совре- менных отечественных цементных заводов, обеспечивают при любых режимах тепловлажностной обработки более высокую абсолютную прочность бетона, а при кратковре- менном прогреве (до 12 ч) и более высокую относитель- ную прочность. 194
Для получения высоких прочностей бетона в раннем возрасте нормального твердения и после тепловой обра- ботки большое значение имеет тонкость измельчения це- мента и количество вводимого гипса. Для выявления ро- ли гипса были проведены опыты на портландцементах резко отличающегося минералогического состава. Помол клинкеров нами производился в шаровой мель- нице до тех пор, пока через сито с 10 000 отв/см2 не про- ходило 75% массы взятой навески, что примерно соответ- ствует оптимальной удельной поверхности 4000 см2/г. В процессе помола в клинкер вводилось 4% высокопрочно- го полуводного гипса. В качестве заполнителей применя- лись гранитный щебень с предельной крупностью зерен до 30 мм и москворецкий песок. Состав бетона 1 1 :2,5 (по массе), Д/В = 2,78 (Д=500 кг/м3), жесткость бетон- ной смеси 25—35 с (осадка стандартного конуса 0). Для установления оптимальной дозировки гипса в цемент перед затворением вводилось дополнительное количество того же гипса. Часть бетонных образцов после фор- мования подвергалась пропариванию при 80° С в те- чение 17 ч, в том числе 3 ч на подъем температуры (табл. 5.9). Оптимальная величина общей добавки полуводного гипса по показателям суточной и трехсуточной прочности нормально твердеющего бетона близка к 8% как для низ- коалюминатного цемента завода «Комсомолец» (С3А— 2,91 %), так и для высокоалюминатного цемента Таузско- го завода (С3А— 17,07%). Как видно из той же табл. 5.9, наличие оптимального содержания гипса особенно важно для высокоалюминатного цемента Таузского завода, прочность которого при недостатке или избытке гипса снижается. В то же время изменение прочности алитово- алюмоферритового цемента при таких же колебаниях содержания гипса незначительно. Эффективность тепловой обработки бетона на али- тово-алюмоферритовом цементе завода «Комсомолец» при добавке 4% гипса значительно выше, чем на вы- сокоалюминатном цементе Таузского завода. Однако с повышением содержания гипса в последнем эффектив- ность пропаривания бетона значительно увеличивается. Величина оптимальной добавки гипса для высокоалюми- натного цемента при тепловой обработке несколько вы- ше, чем при твердении в нормальных условиях. Вопрос о применении химических добавок рассматривается более 13* 195
^Таблица 5.9 <g НАРАСТАНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ ГИПСА В ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ И УСЛОВИЙ ТВЕРДЕНИЯ Портландцемент Допол- нительная добавка гипса, % Общее содержа- ние гипса, % Предел прочности при сжатии МПа % от /?28 на исходном цементе при нормальном твердении в возрасте, сут после пропа- ривания при нормальном твердении а возрасте, сут после пропа- ривания 1 1 3 1 28 1 1 3 1 | 28 Завода <Комсо- 0 4 40,3 53,7 70 64,7 58 77 ; юо 93 молец» 2 6 44,9 59,8 — 64 64 85 — 92 4 8 46,9 59,6 — 65 67 85 — 93 6 10 40,7 56,2 — 64,9 58 80 — 93 Гаузского завода 0 4 27,5 37,1 58 45,1 47 64 100 78 2 6 37,1 39,9 — 49 64 69 — 84 4 8 42,3 49,2 — 51,5 73 85 — 89 6 10 20,7 42,5 52,3 36 73 —- ДО
подробно в главе 8, поэтому здесь мы на нем не останав- ливаемся. Опыты, проведенные более чем на 20 цементах, пока- зали, что эффективность пропаривания бетона на совре- менных цементах значительно выше нормировавшейся в свое время старыми техническими условиями. Для получения наи- большего эффекта при работе на смешанных це- ментах весьма важным фактором является их состав, т. е. соотношение между клинкером, гип- сом и активной минераль- ной добавкой. Активностью цемен- та, как известно, опреде- ляется расход его в бе- тоне данной прочности и удобоукладываемости. Для бетона с подвижно- Рис. 5.17. Зависимость между маркой цемента и его расхо- дом в бетонах различных ма- рок при подвижности бетонной смеси, соответствующей осадке стандартного конуса 2—4 см стью смеси, соответству- ющей осадке стандарт- ного конуса 2—4 см, за- висимость расхода це- мента от его активности приводится на рис. 5.17 Кривые на графике по- называют, что во избежание больших расходов цемента при данной удобоукладываемости смеси для высокопроч- ного бетона (500 и более) целесообразно применять це- менты марки 500—600. Наряду с выбором цементов и назначением составов бетонных смесей необходимо больше уделять внимания выбору заполнителей. Последние работы показали целе- сообразность применения в монолитном железобетоне легких пористых заполнителей. Недопустимым является применение песчано-гравийных смесей. В специально проведенной работе сравнивались меж- ду собой шесть различных видов крупного заполнителя: обычный гравий; такой же гравий, но дробленый; из- вестняковый щебень; гранитный щебень; цементный клинкер (наиболее активный в техническом отношении крупный заполнитель); щебень из плотного магнитного 197
железняка. При прочих равных условиях из распростра- ненных видов крупного заполнителя наибольшую проч- ность обеспечил бетону гранитный щебень. Что же каса- ется гравия из цементного клинкера и щебня из магнит- ного железняка, то они по сравнению с гранитным щеб- нем никакого преимущества не показали. В результате более слабого сцепления поверхности зе- рен гравия с раствором прочность бетона снижается на 10—15%. Дробление гравия, т. е. превращение его в ще- бень (при достаточной плотности породы и прочих рав- ных условиях), повышает прочность бетона на 10%. Малоподвижные смеси с повышенным и высоким рас- ходом цемента, наиболее характерные для высокопроч- ных бетонов, требуют меньшего содержания песка в сме- си заполнителей. Однако для каждого вида крупного за- полнителя (по форме и крупности зерен и зерновому составу) существует предел уменьшения коэффициента г, ниже которого смесь расслаивается или теряет удобооб- рабатываемость независимо от подвижности и содержа- ния цемента. Пределом снижения относительного содер- жания песка в смеси заполнителей (по массе) является гопт = 0,25—0,28. Кроме прочности крупных заполнителей на прочность бетона в ряде случаев влияет их морозостойкость. Мо- розостойкость крупных заполнителей для бетона иссле- довалась нами для строительства Куйбышевского гидро- узла и для Камской гидроэлектростанции. В том и другом случае испытанию подвергался щебень из изверженных пород (гранита, диабаза) и из осадочных пород (различ- ного рода известняков, доломитов), а также гравий. Испытание на морозостойкость производилось для Куй- бышевского гидроузла до 500 циклов замораживания и оттаивания, а для Камской ГЭС до 150 циклов. Испы- танию подвергался щебень крупностью 50 и 150 мм. В процессе испытания устанавливалось изменение массы щебня. До 25 циклов замораживания масса щебня уве- личивалась на 0,2—1,2% за счет дополнительного насы- щения водой, а затем к 75—150 циклам масса снизилась до первоначальной, принятой за 100%. Во всех случаях, за исключением пористого известняка, образцы щебня СКГУ выдержали 500 Циклов замораживания и оттаи- вания. При этом у известняка и доломита потерялось около 3% массы, у гранита и диабаза — менее 1 %. Пори- стый известняк выдержал 225 циклов замораживания и 198
оттаивания. Щебень бблёё крупных размеров имел не- сколько большие потери массы, что надо объяснить глав- ным образом механическими воздействиями в процессе загружения образцов в холодильную камеру и ванны с водой. Опыты показали, что изверженные и плотные осадоч- ные породы обладают весьма высокой степенью морозо- стойкости. Поэтому, как правило, нет надобности испы- тывать плотные породы, как это еще часто требуется, до 25—50 циклов замораживания и оттаивания. Эти выводы хорошо подтверждаются также результатами испытаний образцов щебня, доставленных со строительства Кам- ской гидроэлектростанции. Образцы изверженных пород (гранита и диабаза), а также плотного кристаллическо- го известняка выдержали 150 циклов замораживания и оттаивания. Образцы же серого невысокой прочности из- вестняка выдержали до 50 циклов замораживания и от- таивания. После 50 циклов замораживания такой извест- няк показал значительные потери массы. К 100 циклам испытания многие образцы разрушились, т. е. не выдер- жали испытания на морозостойкость. Как правило, из- вестняковые заполнители надо испытывать на морозо- стойкость в бетоне или обращать внимание на объемную массу и пористость. Пористые заполнители, применяемые при изготовлении легких бетонов, особенно керамзито- бетона, обладают достаточно высокой морозостойкостью. Проведенные Г А. Аробслидзе и В. И. Сорокером в лаборатории ЦНИПС опыты с подвижной, мало- подвижной и жесткой смесями показали, что при увели- чении расхода цемента с 200 до 800 кг/м3 и обеспечении при этом оптимального зернового состава смеси запол- нителей для каждого расхода цемента водопотребность бетонной смеси данной удобоукладываемости сначала несколько уменьшается или остается практически посто- янной (примерно до Д=400 кг/м3), а затем резко воз- растает. На том участке, где водопотребность снижается или практически остается постоянной, увеличение расхо- да цемента приводит к уменьшению водоцементного от- ношения и соответствующему увеличению прочности бе- тона. На том же участке, где при увеличении расхода цемента, возрастает и водопотребность бетонной смеси, уменьшение водоцементного отношения сначала сказы- вается незначительно, а затем прирост прочности почти прекращается. Таким образом, увеличение расхода це- 199
Мейта сверх некоторого предела не сопровождается повы- шением прочности бетона. Значение этого предела зави- сит в основном от удобоукладываемости бетонной смеси. СРАВНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ Наиболее эффективным способом ускорения тверде- ния как тяжелых, так и легких (на пористых заполни- телях) бетонов является тепловая обработка. При совре- менных масштабах и темпах производста бетонных и железобетонных изделий все другие способы (повышение активности цемента, уменьшение ВЩ, введение химиче- ских добавок и увеличение жесткости, уплотнение сме- сей) используются как дополнительные средства, ускоря- ющие процессы твердения бетона. Большим преимуществом тепловой обработки в за- водских условиях является то, что производственный про- цесс изготовления изделий не зависит от климатических условий. В СССР, так же как и во всех других странах, изделия и конструкции из тяжелых и легких бетонов, как правило, подвергаются тепловой обработке паром при температурах 70—95° С. В последние годы как на стройплощадках, так и на за- водах конструкции из различных видов бетона подверга- ют электротермообработке, а бетонные смеси предвари- тельно разогревают электротоком или паром. Применение легких бетонов на природных и искусст- венных пористых заполнителях непрерывно возрастает по сравнению с тяжелыми бетонами. В Советском Союзе около 50% легких бетонов идет на изготовление изделий и конструкций из керамзитобе- тона широкой номенклатуры, в которой применяется бе- тон марок от 50 до 500. В лаборатории методов ускорения твердения бетонов НИИЖБ были проведены исследования по изучению влияния наиболее распространенных видов тепловой об- работки на физико-механические свойства керамзитобе- тона. Керамзитобетон различных марок пропаривался, подвергался электропрогреву, автоклавной обработке и выдерживался в стандартных условиях. Режимы выдер- живания были приняты оптимальные для каждого вида обработки. При пропаривании и автоклавной обработке 200
Таблица 5.10 ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА КЕРАМЗИТОБЕТОНА (ПО ДАННЫМ М. В. РАБОТИНОЙ) Бетон Ви