Гидратация бетона – Гидратация бетона

Химические свойства портландцемента

Сущность процесса твердения

Общеизвестно, что вода, добавленная к цементному порошку, вступает в реакцию с различными соединениями и образует цементное тесто, которое после определенного перлрда времени схватывается и твердеет, связывая заполнители в гетерогенную массу. Сущность этих реакций и природа образующихся соединений пока недостаточно изучены, и многие вопросы еще нуждаются в разъяснении.

В течение многих лет существовали две теории схватывания и твердения портландцемента. Первая, выдвинутая Ле Шателье в 1882 г. и известная под названием «кристаллизационной», объясняла рост прочности твердеющего цементного теста образованием взаимно связанных кристаллов, подобно тому как это происходит при твердении чистого гипса. Вторая, более популярная теория была предложена Михаэлисом в 1893 г. и известна под названием «гелевой» или «коллоидной». По мнению Ми-хаэлиса, цементное тесто представляет собой пересыщенный раствор гидратированных соединений, которые в конечном счете коагулируются, образуя аморфную массу, называемую гелем. Этот гель после высыхания твердеет и сжимается подобно клею, связывая заполнители и презращая их в бетон.

Хотя действительный состав гидратированных соединений портландцемента еще полностью не установлен, однако имеются веские доводы в пользу того, что справедливы обе теории, как кристаллизационная, так и коллоидная, вторая, может быть, в несколько большей степени. Процесс схватывания и твердения цементного теста зависит от минералогического состава цемента и температуры твердения бетона, особенно в течение первых суток. Алюминаты цемента при гидратации образуют кристаллические продукты, но один из продуктов гидратации железосодержащего соединения, возможно, является аморфным.

Гидролиз и гидратация

При обычных величинах водо-цементного отношения, применяемых при изготовлении цементного теста, строительных растворов и бетонов, трехкальциевый силикат гидролизуется, т. е. превращается в силикат кальция с меньшей основностью. При этом образуется двухкальциевый силикат и высвобождается избыток извести в форме гидрата окиси кальция — Са(ОН)2. Последний осаждается в виде кристаллов из пересыщенного раствора Са(ОН)2, образующегося при быстром гидролизе трех-кальциевого силиката. Двухкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат при тех же величинах вод о-цементного отношения гидролизуются очень мало или вовсе не гидролизуются.

Двухкальциевый силикат, как присутствующий в исходном цементе, так и образующийся в результате гидролиза высокоосновных соединений, непосредственно связывается с водой в процессе гидратации. При повышенных температурах, как, например, в условиях обработки паром, образуются другие гидросиликаты, обычно кристаллического характера.

Трехкальциевый алюминат при гидратации образует кристаллы с различным содержанием воды. Как показывают имеющиеся данные, эти кристаллы представляют собой смесь двух-кальциевого и четырехкальциевого гидроалюминатов, но для установления их точного состава необходимы дальнейшие исследования. В то же время известно, что четырехкальциевый алюмоферрит связывается с водой, образуя кристаллы состава ЭСаО-АЬОз-бНоО и аморфную фазу, которая представляет собой, вероятно, однокальциевый гицроферрит.

Схватывание

Если размолоть портландцементный клинкер без добавки замедлителя (например, гипса), то полученный продукт не может быть использован, поскольку изготовленный из него бетон схватывается слишком быстро, т. е. становится твердым еще до окончания укладки и уплотнения. Такой цемент называют быстро-схватывающимся. Однако имеются клинкеры, которые и без замедлителя дают цемент, обладающий нормальными сроками схватывания. Эти клинкеры обычно характеризуются низким содержанием кристаллического трехкальциевого алюмината, что зависит от состава примененных сырьевых материалов или от скорости охлаждения клинкера после обжига.

Так как основные свойства затвердевшего бетона зависят в большой степени от соответствующей укладки и хорошего уплотнения смеси в пластичном состоянии, то условия схватывания цемента имеют первостепенное значение. Поэтому интересно познакомиться с механизмом процесса схватывания портландцемента и возможностью управлять им; однако следует иметь в виду, что по этому вопросу до сих пор еще существуют разноречивые мнения.

Трехкальциевый алюминат в портландцементном клинкере, очевидно, является тем соединением, которое без замедлителя сразу же реагирует с водой и вызывает нежелательное явление быстрого схватывания. В практике цементного производства уже с давних пор применяется введение гипса, CaS04-2h30, для регулирования схватывания портландцемента. Однако, как показали наблюдения, гипс замедляет схватывание лишь тех цементов, которые содержат много кристаллического трехкальциевого алюмината. У цементов же с низким содержанием кристаллического трехкальциевого алюмината добавка гипса ускоряет гидратацию, но не в такой степени, чтобы вызвать быстрое схватывание; в этом случае происходит, в сущности говоря, лишь сокращение ненормально долгих сроков схватывания.

Исследования показали, что действие гипса как замедлителя является функцией сравнительно слабой растворимости безводных алюминатов в насыщенных известково-гипсовых растворах.

При первоначальной добавке воды к портландцементу начинается непосредственная быстрая реакция, обусловленная высокой растворимостью алюминатов в чистой воде, и последующее выделение кристаллов алюминатов кальция. Однако менее растворимые свободная известь и гипс также растворяются, в результате чего повышается концентрация извести и гипса в растворе. Это в свою очередь значительно понижает растворимость алюминатов. В присутствии достаточного количества гипса величина и скорость понижения растворимости алюминатов таковы, что быстрое схватывание цемента не наступает.

Силикаты кальция, главным образом 3Ca0-Si02, также растворяются в это время и образуют гидросиликаты. В нормально твердеющих цементах именно это выделение гидросиликатов кальция и определяет момент начала схватывания, когда цементное тесто становится полужестким вследствие упрочнения структуры кристаллов гидросиликатов, а дальнейший ход реакций замедляется.

После того как весь доступный гипс растворился, концентрация его в растворе быстро понижается; при этом быстро повышается растворимость тех алюминатов, которые еще не успели выделиться в виде нерастворимых сульфоалюминатов кальция. При наличии достаточного количества оставшихся безводных алюминатов наступающая быстрая реакция с образованием кристаллов гидроалюминатов приводит к окончанию схватывания, когда цементное тесто практически теряет всю свою пластичность. В цементах, содержащих мало трехкальциевого алюмината, может не оказаться нужного количества остаточного безводного алюмината, чтобы вызвать конец схватывания; в этом случае вступают в действие силикаты кальция.

Гипс влияет не только на скорость реакции и, следовательно, на схватывание пластичного цементного теста, но и на развитие начальной прочности, а также на объемные изменения затвердевшего теста. Недостаточное или избыточное количество гипса в цементе уменьшает его прочность и приводит к увеличению объемных изменений. При правильной дозировке гипса прочность цемента повышается, а усадка на воздухе и расширение в воде становятся минимальными. Лерч показал, что оптимальное содержание гипса или, точнее, серного ангидрида, является функцией тонкости помола и состава цемента. В общем виде можно считать, что оптимальное содержание SO3 должно быть выше, чем полагали ранее.

Как видно из данных этой таблицы, оптимальное содержание S03 с точки зрения минимального расширения колеблется от 1,5% для малоалюминатного и низкощелочного цемента до 3,5% для высокоалюминатного и высокощелочного цемента. С точки зрения минимальной усадки оптимальное содержание SO3 колеблется в пределах от 2,4 до 4%. Тот факт, что с повышением содержания ЗСаОА12Оз увеличивается и оптимальная дозировка SO3 в цементе, подтверждает теорию о том, что SO3 в избытке сверх оптимума продолжает образовывать сульфо-алюминат кальция и после схватывания цемента; это обстоятельство вызывает запоздалое расширение бетона. Цементы с высоким содержанием трехкальциевого алюмината обязательно свяжут больше S03 в процессе замедления схватывания, так что’ его останется мало для последующей реакции после конца схватывания.

Ложное схватывание портландцемента

Ложное схватывание портландцементного теста является следствием ненормально ранних реакций гидратации. Ложное схватывание бетона характеризуется определенным загустева-нием его или потерей пластичности в процессе перемешивания или вслед за его окончанием. В отдельных случаях свежая бетонная смесь может загустеть до такой степени, что для извлечения ее из мешалки, вагонетки, грузовика или ковша понадобится применить кирку или лом. Иногда ложное схватывание бетона на строительной площадке может остаться незамеченным из-за особых условий работы, как, например, при продолжительном перемешивании, которое прерывает процесс загустевания и придает бетону его нормальную консистенцию.

Как уже указывалось, ранние реакции гидратации, которые происходят при взаимодействии цемента с водой, можно до известной степени регулировать с помощью добавки гипса. Последний в соединении с раствором гидрата окиси кальция действует как замедлитель и предупреждает быстрое схватывание т. е. раннее непрерывное твердение цементного теста. Быстрое схватывание отличается своей непрерывностью, в то время как при ложном схватывании процесс загустевания обычно может быть прерван усиленным перемешиванием. Явления ложного схватывания или, говоря иначе, ранние реакции гидратации портландцемента еще не объяснены полностью. Однако общеизвестно, что в большинстве случаев ложное схватывание вызывается дегидратацией гипса до неустойчивых форм сульфата кальция при тонком помоле цемента в мельнице, где температура превышает 110 °С (т. е. температуру дегидратации гипса). На переход гипса в неустойчивые модификации влияют также условия и темпера‘тур-а хранения цемента, аэрация и влажность. Иногда ложное схватывание цемента вызывается аэрацией, обусловленной отчасти карбонизацией содержащихся в нем щелочей. Некоторые считают, что аэрация изменяет состояние гипса и действует на него так же, как ломол при высокой температуре. В ряде случаев ложное схватывание цемента приписывают таким недостаткам кливкер.а, как неравномерное распределение минералов в отдельных клинкерных зернах.

Некоторые исследователи утверждают, что в качестве замедлителя схватывания цемента пригодна только двуводная форма сульфата кальция (CaS04-2h30), известная под названием гипсй. Однако лабораторными опытами доказано, что явление ложного схватывания некоторых видов цементов можно полностью устранить путем нагревания их до температуры выше 350° С, при которой образуется нерастворимый ангидрит сульфата кальция (CaS04 нераств.). При температуре выше 120° С образуются неустойчивые альфа- и бета-модификации полуводного-сульфата кальция (CaS04-0,5 Н20). Эти формы вместе с растворимыми альфа- и бета-модификациями ангидрита (CaS04 раств.) лучше растворимы, чем гипс (CaS04’2h30) или нерастворимый ангидрит, и могут давать более высокую концентрацию сульфатов в насыщенном или пересыщенном растворе Са(ОН)2, образующемся в свежем цементном тесте.

Гидролиз C3S приводит к выделению гидрата окиси кальция, который немедленно поглощается избытком воды в тесте с образованием насыщенного или пересыщенного раствора. Гипс (двуводный) также довольно быстро растворяется в растворе Са(ОН)2, но до сравнительно низкой концентрации. В нормальных условиях известково-гипсовый раствор замедляет гидратацию алюминатной фазы в свежем цементном тесте, образуя защитную пленку вокруг частиц СзА и превращая растворимую фазу гидратированного СзА в устойчивые сульфоалюминаты. Если же, с другой стороны, образуется более высокая концентрация сульфата кальция, чем в случае присутствия полугидрата, то последний разрушает защитную пленку на частицах С3А. Это вызывает быструю раннюю гидратацию фазы трехкальциевого алюмината и преждевременное уплотнение теста. Быстрая ранняя гидратация алюминатной фазы с преждевременным загусте-ванием теста может явиться результатом плохого качества клинкера.

Загустевание бетона вследствие ложного схватывания цемента трудно предвидеть заранее, так как здесь действует множество факторов. Прежде всего, скорость ложного схватывания у различных цементов совершенно неодинакова. Условия изготовления и укладки бетона, как, например, температура, время перемешивания и вид заполнителя, оказывают большое влияние на характер загустевания бетона. Но независимо от степени за-густевания бетона на месте его укладки можно считать, что ложное схватывание цемента вызывает следующие неблагоприятные последствия: повышает водопотребность бетона; понижает его прочность; ухудшает сцепление заполнителей и арматуры с основной массой вяжущего; обусловливает хрупкость и растрескивание бетона; ослабляет его сопротивление действию замораживания и оттаивания; ухудшает его воздухоудерживающие свойства. Если загустевание бетона происходит на месте укладки, оно нарушает график строительных работ, вызывает потерю удобо-обрабатываемости бетона, практически делает невозможным контроль качества и увеличивает стоимость обработки, укладки и отделочных работ.

Достаточно привести несколько примеров для подтверждения того, какие трудности вызывает применение цемента с ложным схватыванием на строительной площадке. На строительстве большой плотины бетонный узел был оборудован промежуточным бункером, расположенным между бетономешалками и вагонами. Применять вибраторы, кувалды и другие инструменты приходилось и в местах выгрузки бетона. Загустевание происходило обычно в течение 5 мин. после перемешивания и могло быть прекращено путем оставления бетона в мешалке на короткое время и вторичного перемешивания в течение ‘А—7г мин.

На бетонных работах по облицовке канала ложное схватывание цемента привело к образованию на поверхности бетона узких усадочных трещин длиной от нескольких сантиметров до 0,6 м. Эта необычная усадка не наблюдалась на участках поверхности, подвергавшихся вторичной затирке на некотором расстоянии от подвижной формы. Таким образом, можно считать, что вторичная затирка прекращает процесс загуетевания бетона. Было установлено, что при увеличении содержания S03 в цементе до 2,5% путем добавки гипса на месте изготовления бетона процесс загуетевания прекратился.

На одном строительстве встретились с большими затруднениями при укладке бетона из-за ложного схватывания. При применении цемента, полученного с другого завода, эти затруднения не наблюдались: бетон обладал нормальной пластичностью, не зависал в ковшах и бункерах и легче укладывался.

На другом строительстве применение цемента с ложным схватыванием имело своим результатом недостаточное нарастание прочности бетона от 7 суток к более поздним срокам твердения, плохое сцепление между вяжущим и заполнителями, потерю удобообрабатываемости, избыточное выступание цементного молока, ухудшение воздухоудерживающих свойств. Водопотреб-ность бетона увеличилась‘на 24% против нормальной, вследствие чего понадобилось повысить расход цемента на 75 кг/м3 бетона. Изготовленные из этого бетона сборные трубы отличались хрупкостью, низкой прочностью и склонностью к растрескиванию.

Иногда удавалось избавиться от ложного схватывания путем введения в бетономешалку 2% гипса (от веса цемента). В некоторых случаях помогала добавка 0,2 % лишосульфоната кальция, применяемого в качестве интенсификатора помола сырьевой смеси. На одном строительстве, где применялся пуццолановый портландцемент, удалось предупредить уплотнение бетона, добавив к нему 0,1% минерального масла. Интересно отметить, что у этого портландцемента без пуццолановой добавки также наблюдалось явление ложного схватывания.

В большинстве случаев ложное схватывание цемента объясняется помолом при температуре выше 110 °С. Как правило, снижение температуры помола позволяет получить цемент с нормальными сроками схватывания. Для этой цели применяют такие мероприятия, как впрыскивание воды в мельницу, водяное охлаждение транспортеров, охлаждение клинкера или вдувание в мельницу холодного воздуха.

Другие причины ложного схватывания цемента, как, например, неправильный расчет сырьевой смеси, неравномерный илш недостаточный обжиг, крупный помол сырья, легко устранить, путем соответственного улучшения технологического процесса на> цементном заводе.

В ряде случаев в целях экономии рекомендовали применять при помоле цемента один природный ангидрит или ангидрит т смеси с гипсом. Как показал опыт, ангидрит годится для одних: цементов, но не замедляет в достаточной степени схватывание-других цементов. В то же время применение искусственного ангидрита позволяет получить нормальный цемент, свободный отложного схватывания. Это кажущееся противоречие становится понятным, если рассмотреть действие гипса на различные виды: цементов. Например, гипс не оказывает замедляющего действия на большинство малоалюминатных цементов. Действительно,» конец схватывания некоторых малоалюминатных цементов наступает слишком поздно по сравнению с требованиями стандарта. В этом случае гипс фактически ускоряет, а не замедляег схватывание и позволяет получить более высокую прочность.

Высокоалюминатные цементы склонны к быстрому схватыванию, и для них гипс является замедлителем. Ангидрит, который разлагается медленнее, не может обеспечить эти цементы достаточным количеством сульфатных ионов, чтобы ослабить тенденцию к быстрому схватыванию. С другой стороны, медленное растворение ангидрита может оказаться достаточным для малоалюминатных цементов. Природный или искусственный нерастворимый ангидрит может послужить средством для предупреждения ложного схватывания у цементов с низким содержанием трехкальциевого алюмината.

Неравномерность изменения объема

Свободная или несвязанная известь в цементе может вызвать неравномерность изменения объема, т. е. избыточное расширение бетона, сопровождающееся растрескиванием и короблением. Это расширение является результатом гидратации свободной извести и в некоторой степени аналогично процессу гашения извести. Если гидратация происходит во время хранения или размола клинкера, либо после затворения цемента водой, но во всяком случае до окончания схватывания цементного теста, о-на не вызывает вредного расширения теста, раствора или бетона. Но если такая гидратация с последующим расширением наступает после окончания схватывания, она может вызвать серьезные изменения объема и даже разрушение цементного теста, раствора или бетона, изготовленных из цементов с избыточным содержанием свободной извести.

Скорость гидратации свободной или несвязанной извести зависит от степени обжига и тонкости помола. Пережженная известь, т. е. обжигавшаяся при температуре выше 1000° С и называемая часто «намертво обожженной», гидратируется медленно. Иногда для полного завершения реакции извести с водой требуется много недель и месяцев, при условии, если клинкер охлаждался достаточно медленно и могла произойти кристаллизация его компонентов.

Тонкий размол клинкера с соответствующим измельчением кристаллической свободной извести увеличивает скорость гидратации. В этом случае клинкер может содержать больше свободной СаО без опасения вредного расширения цемента. Например, быстротвердеющий портландцемент с удельной поверхностью 2600—2800 см?!г (по Вагнеру) может иногда содержать сравнительно больше свободной извести и не давать вредного расширения, в то время как у обыкновенного портландцемента с удельной поверхностью 1700—1800 см2/г содержание свободной извести должно быть меньше 2%. Выдерживание или аэрирование цемента, вызывающее предварительную гидратацию или карбонизацию частиц свободной извести, может иногда улучшить качество цемента с неравномерным изменением объема.

Избыток содержания магнезии в цементе также вызывает запоздалое расширение бетона и может стать причиной его разрушения. Поэтому допустимый предел содержания магнезии в цементе ограничивается 5% (по стандартам АСТМ и Федерального правительства). Неравномерность изменения объема в связи с избыточным содержанием MgO в цементе может проявиться даже по прошествии двух и более лет.

Однако известно много, случаев, когда избыточное содержание магнезии не вызывало позднего расширения бетона или оно .наступало при содержании MgO ниже допускаемого стандартом максимума. Это кажущееся противоречие зависит от того, в какой форме окись магния присутствует в цементе. В портландце-ментном клинкере, подвергавшемся медленному охлаждению, как, например, на воздухе или во вращающемся холодильнике, окись магния присутствует в форме периклаза, т. е. кристаллической MgO. Эта форма обусловливает неравномерность изменения объема цемента. Но если клинкер охлаждается быстро, например, в рекуператорном или колосниковом холодильнике, окись магния застывает в твердом растворе и становится инертной. Другими словами, скорость понижения температуры от максимума оказывает заметное влияние на равномерность изменения объема цемента.

Раньше равномерность изменения объема цемента определялась посредством испытания лепешек из чистого цементного теста в парах кипящей воды, которые ускоряли гидратацию свободной извести. В настоящее время в США применяется автоклавный метод испытания цемента на равномерность изменения объема (стандарт АСТМ С-151). По этому методу образцы-ба-лочки размером 2,5 X 2,5X25 см, изготовленные из затвердевшего цементного теста, подвергаются обработке паром под давлением 20 ати, что значительно ускоряет гидратацию намертво обожженной свободной извести или кристаллической окиси магния.

Иногда неравномерность изменения объема обусловливается присутствием избыточного количества гипса, который может вызвать образование сульфоалюмината кальция после окончания схватывания цементного теста. Лерч показал, что для цементов различного состава имеются оптимальные количества S03, при которых изменения объема вследствие расширения в воде или усадки на воздухе являются минимальными (см. табл. 5). Меньшее содержание S03 вызывает несколько увеличенное, но еще не избыточное изменение объема. Добавка же S03 сверх оптимума приводит к серьезным явлениям позднего расширения бе-тона,-

При тонком помоле цемента можно увеличить содержание гипса, не опасаясь вредного расширения. Это обстоятельство учтено в стандартах АСТМ, которые разрешают вводить в быст-ротвердеющий портландцемент до 3,0% S03, в то время как обыкновенный портландцемент, как правило, не может содержать больше 2,5% S03.

Ранее установленный стандартом АСТМ предел содержания S03 в обыкновенном портландцементе (2%) оставался неизменным в течение многих лет. Лишь недавно этот вопрос был снова поднят в связи с тем, что за последние годы тонкость помола или удельная поверхность обыкновенного портландцемента значительно возросла. Это обстоятельство позволило повысить содержание S03 для улучшения качества цемента, на что указал Мейсснер в своем сообщении об итогах работ Комитета С-1 АСТМ в этой области.

С вопросом об оптимальном количестве S03 в цементе связан и новый временный метод, рекомендованный АСТМ для определения содержания (или отсутствия) сульфата кальция в образцах портландцементного раствора, твердевших 24 часа во влажном помещении при температуре 23° С. Количество S03, обнаруженное путем химического анализа в водной вытяжке из затвердевшего раствора, измельченного в порошок, показывает, в какой степени сульфат кальция реагировал с водой в процессе гидратации. Было установлено, что при оптимальном содержании гипса в цементе сульфат кальция полностью прореагирует после 24 час. нормальной гидратации. Раствор, насыщенный Са(ОН)2 и сульфоалюминатом кальция и свободный от гипса, содержит S03 меньше 0,01 г/л. Поэтому если при помоле цемента было добавлено слишком много гипса, непрореагировавшии избыток его будет обнаружен по наличию большего количества S03 в водной вытяжке.

Этот новый метод был предложен вместо прежнего произвольного химического определения содержания S03, чтобы установить с большей надежностью оптимальную дозировку гипса для регулирования свойств цемента. Если один цемент требует для улучшения своих свойств больше гипса, чем другой, то можно увеличить дозировку добавки, но при этом нужно удостовериться с помощью вышеуказанного метода, что она не является избыточной.

Теплота гидратации

В процессе схватывания и твердения портландцементного теста выделяется значительное количество тепла в результате реакций гидролиза и гидратации. Это — так называемая теплота гидратации.

Теплота гидратации представляет интерес для технологов главным образом потому, что она вызывает повышение температуры в массивном бетоне. Повышение температуры часто бывает настолько значительно, что может вызвать серьезное растрескивание сооружения в результате термической усадки при охлаждении бетона. Вместе с тем теплота гидратации представляет собой благоприятный фактор при укладке бетона в холодное время года, так как облегчает защиту бетона от мороза. Тепловыделение заметно изменяется в зависимости от состава цемента. Больше всего тепла выделяют цементы, содержащие много трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Цементы с высоким содержанием стекловидной фазы, образовавшейся в результате быстрого охлаждения, которое приводит к «застыванию» соединений клинкера на сравнительно высоком энергетическом уровне, также отличаются повышенным тепловыделением.

Для измерения величины тепловыделения портландцемента применяется обычно 1метод определения теплоты растворения. Сухой цементный порошок или высушенное и измолотое частично гидратированное тесто растворяется в смеси азотной и фтороводородистой кислот в полулитровом открытом термосе. Повышение температуры с поправками на теплоту смешивания, термическую утечку и потерю при прокаливании определяет теплоту растворения негидратированного цемента. Теплота гидратации гидратированного цемента вычисляется по разности.

Этот метод измерения дает результаты с точностью до 1 кал/г. Кроме того, карбонизация и высыхание образцов перед испытанием также могут служить источником ошибок. Поэтому метод может быть применен лишь для определения теплоты гидратации в сроки до 28 суток. В более поздние сроки прирост выделяемого тепла настолько незначителен, что он становится практически незаметным из-за различных потерь и неточности метода. Что касается цементов, очень медленно набирающих прочность, то у них методом теплоты растворения можно определить тепловыделение в тесте и после 28 суток гидратации.

Калориметр для измерения теплоты растворения пригоден и в тех случаях, когда хотят определить содержание стекла в портландцементном клинкере. Повышенное содержание стекла в клинкере обусловливает и большую величину теплоты гидратации. Но разница между высоким и низким содержанием стекла в клинкере невелика. Поэтому для определения стекловидной фазы в клинкере предложен более точный прибор.

Как уже указывалось, определение теплоты гидратации не является единственной целью метода теплоты растворения. В некоторых технических условиях предусматривается ограничение величины тепловыделения цемента, определяемой по методу теплоты растворения. Но строителя интересует в первую очередь, каково будет повышение температуры в бетонном массиве. Соответствующее повышение температуры бетонного массива можно рассчитать следующим образом: умножить величину теплоты гидратации цемента (кал/г) на вес цемента (г), расходуемого на единицу объема бетона, и разделить полученное произведение на удельную теплоемкость бетона.

Карлсон и Форбрич показали, что этот расчет осложняется различными дополнительными факторами:
1) в связи с малым водо-цементным отношением, обычно применяемым при изготовлении образцов для испытания по методу теплоты растворения, получаемые показатели тепловыделения чрезвычайно малы;
2) удельная теплоемкость бетона изменяется с температурой;
3) температура хранения испытываемых образцов обычно бывает ниже температуры хранения бетона;
4) при определении теплоты растворения учитывается и непосредственная теплота гидратации, в то время как значительная часть ее обычно рассеивается еще до укладки бетона в полевых условиях;
5) показатели теплоты растворения обычно рассчитываются на прокаленное вещество, в то время как массивный бетон редко бывает совершенно сухим;
6) при проведении испытаний по методу теплоты растворения может произойти карбонизация образцов, что приведет к получению слишком высоких показателей.

Таким образом, для получения точных результатов необходимо внести поправки на действие этих факторов. Это усложняет расчеты, но зато сам по себе метод довольно удобен, поскольку позволяет проводить испытание с малыми количествами цемента и на образцах небольшого размера. К сожалению, некоторые цементы, а именно пуццолановые портландцементы, не растворяются достаточно быстро в кислоте и потому не могут быть испытаны по этому методу. Для таких случаев успешно применяется изотермический калориметр.

В изотермическом калориметре тепло, выделяемое небольшим образцом цементного теста, практически сразу же отводится. Это дает возможность предупредить повышение температуры образца и избыточную потерю тепла. Отводимое от образца тепло поглощается водой, вес и удельная теплоемкость которой известны, а температура может быть точно измерена. Описанный метод очень точен и хорошо отражает все изменения скорости выделения тепла. Однако, как установлено при испытании образцов обыкновенного портландцемента, этот метод дает не вполне точные результаты после 7 суток твердения, а условия твердения образца практически ограничены постоянной температурой.

Адиабатический калориметр, сохраняя все достоинства изотермического калориметра, в то же время устраняет ряд его недостатков. Прибор как бы воспроизводит условия, создающиеся в массивном бетоне. Вода, окружающая сосуд с образцом цементного теста, постоянно имеет такую же температуру, как и образец. Это предупреждает утечку тепла и одновременно воссоздает условия твердения массивного бетона. Недостатками адиабатического калориметра являются необходимость точного автоматического регулирования температуры, большие размеры образца и неточность данных о тепловыделении в течение первого часа после затворения.

Как уже упоминалось выше, минералогический состав портландцементного клинкера оказывает большое влияние на теплоту гидратации цемента. Ббгг указывал, что, зная величину тепловыделения отдельных соединений, можно рассчитать с достаточной точностью теплоту гидратации клинкера на основе: 1) петрографически определенного минералогического состава и 2) расчетного состава (по Боггу). Это указание Богга было подтверждено работами Вудса, Стейнора и Старке.

Читать далее:
Обработка шлака и легких заполнителей
Однородность заполнителей для бетона
Установка для обработки породы
Разработка месторождений заполнителей
Испытание отобранных проб заполнителей
Отбор проб
Разведка заполнителей
Поисковые работы
Легкие заполнители
Реакция между щелочами и заполнителями в бетоне