Боротьба з корозією
1. Застосування сульфатостійких цементів, до яких належать: сульфатостійкий портландцемент; сульфатостійкий портландцемент із мінеральними добавками; сульфатостійкий шлакопортландцемент та пуццолановий портландцемент.
Цементний камінь глиноземистого цементу має підвищену стійкість проти кислотної (і, зокрема, вуглекислої) корозії, а також стійкість у м'яких та сульфатних водах. У розчинах лугів, однак, глиноземистий цемент піддається корозії.
2. Підвищення водонепроникності бетону здійснюється застосуванням цементів з малою водопотребою, зменшенням водоцементного відношення, ретельним ущільненням бетонної суміші при укладанні, введенням гідрофобізуючих поверхнево-активних добавок, що знижують частку відкритої пористості.
3. Влаштування гідроізоляції. Використовуються різні види гідроізоляційних покриттів.
Проникаюча гідроізоляція виконується шляхом просочення або ін'єктування в пори бетону рідких складів, які після затвердіння роблять бетон непроникним.
Мастична гідроізоляція виконується шляхом нанесення мастики на поверхню, що захищається. Шар, що наноситься, може армуватися склотканиною, склополотном і т.п.
Рулонна обклеювальна гідроізоляція виконується з рулонних матеріалів на основі бітумів, бітумно-полімерних матеріалів та полімерів.
Гідрофобізація – особливий вид захисту конструкцій, при якому вода не може проникнути у відкриті пори бетону, а повітря та водяна пара можуть вільно в них переміщатися, що дозволяє бетону просихати. Для цієї мети застосовують спеціальні рідини, які утворюють на стінках пір найтоншу плівку, що надає поверхні водовідштовхувальні властивості.
2.7. Тепловиділення бетону та його термічна тріщиностійкість
2.7.1. Загальні відомості.Тепловиділення бетону обумовлено екзотермічною реакцією між водою та цементом. Крім того, теплота виділяється в результаті змочування водою цементу та заповнювачів, що обумовлено зниженням поверхневої енергії (поверхневого натягу) на межі розділу фаз. Деякі процеси у бетоні протікають із поглинанням теплоти, наприклад, розчинення клінкерних мінералів у воді. Однак, порівняно з теплотою хімічної реакції ці теплові ефекти незначні. При експериментальному визначенні тепловиділення знаходять сумарний тепловий ефект всіх процесів.
В результаті тепловиділення відбувається саморозігрів бетонних конструкцій у перші кілька діб твердіння бетону. У центральній частині масивних бетонних блоків температура може досягати (60...80) °С, тоді як на поверхні за рахунок теплообміну з навколишнім повітрям вона мало відрізняється від температури останнього. Перепади температури викликають у бетонному масиві термічні напруги, що призводять до утворення тріщин. Заходи боротьби з термічним тріщиноутворенням поділяються на два види:
1) підвищення тріщиностійкості бетону за рахунок збільшення його деформативності та міцності при розтягуванні;
2) зниження температури саморозігріву, що досягається зменшенням блоків бетонування, зниженням тепловиділення бетону, охолодженням заповнювачів та води замішування, пропусканням холодної води по трубах, прокладених у бетоні.
До заходів щодо зниження тепловиділення бетону, головним чином, відносяться:
1) використання цементів зі зниженою екзотермією.
2) скорочення витрати цементу у бетоні.
Якщо для масивних споруд екзотермія цементу шкідлива, то у двох іншихУ випадках вона відіграє позитивну роль. Для прискорення твердіння бетону на будівництві та заводах ЗБВ здійснюють теплову обробку виробів - пропарювання, електропрогрів тощо. При цьому тепловиділення, будучи додатковим джерелом енергії, дозволяє скоротити енерговитрати. Метод термоса, що застосовується в зимових умовах, заснований на використанні теплоти твердіння для підтримки позитивної температури бетону.
Процес тепловиділення характеризує кінетику гідратації в'яжучих речовин, дозволяє оцінити характер та швидкість твердіння будівельних розчинів та бетонів.
Для експериментального визначення тепловиділення бетону застосовуються калориметри трьох типів:термосні, адіабатичнітаізотермічні. Кінетика тепловиділення залежить від типу калориметра. Це з різницею температурного режиму твердіння бетонних зразків за різних методів випробувань.
Притермосному методічастина теплоти, що виділяється, витрачається на нагрівання зразка, а інша частина розсіюється в навколишнє повітряне або рідинне середовище з постійною температурою. Температура зразка в досвіді спочатку підвищується (поки швидкість тепловиділення досить велика), а потім, коли швидкість тепловтрат починає перевищувати швидкість тепловиділення, - падає.
Приадіабатичному, методівиключається теплообмін між зразком і середовищем і вся теплота, що виділяється, витрачається на нагрівання зразка. Це досягається зміною температури середовища так, щоб вона у кожний момент дорівнювала температурі зразка, яка в процесі досвіду безперервно зростає. Коли процес гідратації та тепловиділення закінчиться, підвищення температури припиниться, і вона встановиться на досягнутому рівні. Кількість виділеної теплоти до будь-якого терміну пропорційно до підвищення температурибетону. Коефіцієнтом пропорційності є теплоємність зразка.
Приізотермічному методівсе тепло, що виділяється, відводиться від зразка в навколишнє середовище, температуру якої змінюють (спочатку поступово знижують, а потім підвищують) так, щоб температура зразка залишалася постійною. У цьому випадку швидкість теплообміну дорівнює швидкості тепловиділення в кожний момент часу і все тепло, що виділяється, відводиться в середу. Швидкість тепловиділення пропорційна різниці температур між зразком та середовищем. Коефіцієнтом пропорційності є константа тепловіддачі калориметра, що дорівнює добутку коефіцієнта тепловіддачі на площу поверхні зразка.
З певною мірою наближення температурний режим твердіння бетону в реальних умовах можна вважати термосним. У центральній частині потужних бетонних конструкцій температура сягає максимальних значень. Температура поверхні бетону в результаті теплообміну мало відрізняється від температури навколишнього повітря, перевищуючи її в середньому на кілька градусів.
Т
Результати експериментального визначення тепловиділення бетону оформляються у вигляді графіків залежностіQабоqвід тривалості твердіння τ (рис. 2.11). На кривих тепловиділення спостерігаються три характерні ділянки: I – ділянка інтенсивних початкових реакцій та виділення теплоти змочування; II – ділянка уповільнення гідратації за рахунок дії гіпсу (екранування зерен цементуплівками гідросульфоалюмінату кальцію). Ця ділянка за часом відповідає періоду схоплювання цементу; III – ділянка гідратації, що відповідає процесу твердіння.
Ізотермічний метод дозволяє встановити вплив температури на швидкість та значення тепловиділення. Швидкість тепловиділення виражається похідноюдQ/дτ,тобто тангенсом кута нахилу дотичної до кривої тепловиділення. При підвищенні температури бетону швидкість тепловиділення зростає і, відповідно, зростає інтегральна кількість теплотиQ, що виділилася до цього терміну. Однак до нескінченно великого терміну незалежно від температури інтегральне тепловиділення буде однаковим і рівнимQmax. ЗначенняQmax є межею, якої прагне тепловиділення бетону. Чим вище температура, тим швидше наближається тепловиділення до цієї межі.
У моменти рівних тепловиділень, наприклад, у точках1і2(див. рис. 2.11) приQ1=Q2 відношення швидкостей тепловиділення, а також відповідних термінів τ2 та τ1 залишається постійним протягом усього процесу:
Величинаftназивається температурною функцією. Якщо наперед відомо значенняft,то можна, маючи лише криву2(див. рис. 2.11), отримати криву>1чи будь-яку іншу, тобто обчислити тепловиділення за будь-якої температуриt(крім негативної).
Температурну функцію обчислюють за формулою
де ε – характеристична різниця температур. Якщоt1-t2=ε, тоft=2, тобто у разі підвищення температури на ε градусів швидкість тепловиділення зростає у 2 рази. Величину ε отримують за експериментальними даними тепловиділення бетону при трьох (не менше) температурах.Встановлено, що характеристична різниця температурна ε не постійна, а залежить від температури. Цю залежність апроксимують лінійною функцією ε=kt+l, деk≈0,13;l≈8 – емпіричні характеристики процесу. Рівняння тепловиділення для ізотермічного режиму твердіння бетону є найпростішим:
ТутAt- коефіцієнт темпу тепловиділення, що характеризує швидкість тепловиділення при постійній температуріt;т- порядок реакції гідратації. Для портландцементу порядок реакції становить від 2 до 2,3.
ЗначенняQmax,Atітобчислюють за експериментальними даними. Криві, побудовані за рівнянням тепловиділення (2.9), добре збігаються з експериментальними на ділянці ІІІ. Розбіжність розрахункових та експериментальних кривих на ділянках I та II для практичних цілей несуттєва.
Питоме тепловиділення цементуqзалежить від речовинного та мінералогічного складу цементу. Пуцолановий та шлаковий портландцементи, в яких частина клінкерної складової замінена менш активною добавкою пуццолани або шлаку, мають знижене тепловиділення порівняно з портландцементом. Тепловиділення портландцементу зростає з підвищенням вмісту в ньому С3А та C3S при відповідному зменшенні кількості C4AF та C2S. Теплота повної гідратації мінералів портландцементного клінкеру зменшується в ряду: С3А C3S C4AF C2S.
При підвищенні тонкощі помелу зростає швидкість тепловиділення цементу, проте, межаQmax не змінюється.
Умови гідратації цементу залежить від складу бетону. Тому питоме тепловиділення цементуqнасправді не є цілком незалежним від витрати цементу Ц, як це можна було б очікувати, виходячи з формули(2.6), а знижується із збільшенням Ц (при постійній рухливості бетонних сумішей), асимптотично наближаючись до деякої мінімальної межі. При постійній витраті цементу в бетоні або при постійній рухливості бетонної суміші збільшення В/Ц викликає деяке підвищення тепловиділення. Причому ця залежність близька до лінійної.
Пластифікуючі поверхнево-активні добавки адсорбуються з розчину на зернах цементу, утворюючи на поверхні зерен погано проникні плівки, що ускладнюють надходження води до цементу. При цьому в початковий період твердіння (див. ділянку II на рис. 2.11) швидкість гідратації і тепловиділення різко сповільнюється на кілька годин. В результаті поступового перетворення цементу на набухають продукти гідратації екрануючі плівки руйнуються, і подальше твердіння протікає нормально. Дуже тривала затримка тепловиділення до 1 доби викликає суперпластифікатор С-3.
Добавки-прискорювачі твердіння, такі як хлорид кальцію, поташ, нітрат кальцію та інші, підвищують швидкість тепловиділення, так і кінцеве значення теплового ефекту. Остання обставина пояснюється тим, що ці добавки сприяють глибшій гідратації клінкерних мінералів, а також беруть участь в утворенні термодинамічно стійкіших сполук замість звичайних продуктів гідратації.
2.7.2. Розрахунок теплового ефекту при ізотермічному твердінні бетону.С.Д. Окороков встановив, що з однієї і тієї ж температурі тепловиділення портландцементу визначається його мінералогічним складом. На підставі великої кількості експериментів він встановив частку участі кожного з мінералів в екзотермії цементу. Питоме тепловиділення цементу можна розрахувати за формулою
Дані для розрахунку питомого тепловиділення портландцементу при20 °С
Тривалість твердіння, добу
Частка мінералів у тепловиділенні, кДж/(кг∙%)