6. Влияние условий твердения на свойства бетонного камня

Ф ормирование структуры бетонного камня есть результат химического взаимодействия между цементом и водой и сложных физико-химических процессов образования кристаллического каркаса и уплотняющего его геля. Поэтому, пока бетон не приобрёл заданной прочности, для обеспечения протекания этих процессов он должен быть насыщен водой. При высыхании бетона твердение не только приостанавливается, но может прекратиться вообще вследствие необратимого высыхания геля. Особенно заметно высыхание сказывается на бетонах, изготовленных с применением пуццолановых цементов, в которых твердение является результатом формирования кристаллического каркаса из малорастворимых гидросиликатов кальция, долгое время находящихся в цементном камне в виде геля (вспомните процессы гидролиза и гидратации клинкерных минералов).

а) Нормальной для твердения бетона считается температура 17–20 °С. С ее понижением уменьшается интенсивность движения ионов в растворе, в том числе и ионов ОН^-, которые обусловливают гидролиз шлакового стекла, и понижается растворимость новообразований, из которых формируется каркас цементного камня. Особенно чувствительны к понижению температуры бетоны, изготовленные с применением шлакопортландских и пуццолановых портландцементов, так как основной составляющей цементного камня в них являются вообще труднорастворимые гидросиликаты кальция. Так, например, бетоны на шлакопортландцементах перестают твердеть уже при +10° С. Менее чувствительны к понижению температуры бетоны на портландцементах, так как в отличие от других новообразований Са(ОН)₂ образующаяся при гидролизе С₃S обладает способностью с понижением температуры увеличивать, а не уменьшать свою растворимость, что в какой-то степени компенсирует понижение растворимости других компонентов цементного камня. На рис. 6.1 показано изменение растворимости Са(ОН)₂ (кривая 1) и гидросиликатов кальция (кривая 2).

Но все равно при температуре около минус 1 °С вода в бетоне замерзает, и твердение прекращается совсем.

Замерзание бетонной смеси отрицательно сказывается на качестве бетона по следующим причинам.

Во-первых, бетон представляет собой крайне неоднородное тело: плотность зерен крупного заполнителя значительно выше плотности растворной составляющей, соответственно чему и теплопроводность бетона в различных участках различна. Зерна крупного заполнителя выступают в роли «мостиков холода», по которым понижение температуры распространяется в теле бетона. В результате на поверхности зерен крупного заполнителя образуется тончайшая корочка льда, нарушающая контакт заполнителя с растворной составляющей. Этот контакт не восстанавливается после оттаивания сформированного цементного камня, в результате чего бетон при ударе издает глухой звук («бухтит») и теряет значительную часть прочности.

Во-вторых, вода, замерзающая в порах твердеющего бетона, вызывает появление в нем внутренних напряжений, разрыв уже образовавшихся связей между его составными частями и понижение прочности.

В-третьих, в первый период твердения в бетоне образуется большое количество геля гидросиликатов кальция. Как и всякая коллоидная система, при замерзании гель необратимо свертывается, отделяет воду, теряет свою клеящую способность и после оттаивания не участвует в формировании цементного камня. Поэтому чем большая часть геля гидросиликатов подвергнется замерзанию, т. е. чем раньше замерзнет бетон, тем большую часть своей прочности он потеряет. На рис. 6.2 представлены результаты испытания бетона, замерзшего в разное время. Как видно, замораживание не оказывает значительного влияния на прочность бетона, если он до замерзания приобрел не менее 50% прочности от проектной. Согласно теории А. А. Байкова, период коллоидации, т. е. образования значительных количеств геля, соответствует «схватыванию». Поэтому бетон, замерзший до начала схватывания, после оттаивания твердеет нормально, что подтверждается многочисленными наблюдениями ряда исследователей.

б) При повышении температуры скорость твердения бетона увеличивается, так как повышаются: скорость гидролиза и гидратации клинкерных минералов, скорость взаимодействия между составными частями бетона и растворимость большинства веществ, определяющих формирование цементного камня. При повышении температуры до 45–50 °С все цементы ведут себя примерно одинаково, но при дальнейшем нагревании в их твердении наблюдается существенное различие: бетоны на шлакопортландцементе и пуццолановых портландцементах продолжают твердеть в ускоренном темпе, тогда как бетоны на портландцементах, достигнув 70–80% проектной прочности, твердеть практически перестают. Ни повышение температуры, ни увеличение продолжительности термообработки должного эффекта не дают. При охлаждении эти бетоны вновь приобретают способность твердеть и к 28-дневному сроку получают проектную прочность. Что касается бетонов на шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах, то они при пропарке могут приобрести проектную прочность и даже превысить ее.

Объясняется это интересное явление аномальным изменением растворимости Са(ОН)₂ с изменением температуры.

От момента приготовления бетонной смеси до начала термовлажностной обработки проходит несколько часов. За это время вода, находящаяся в бетоне, превращается в раствор, содержащий продукты химических и физико-химических процессов, обусловливающих твердение бетона. При повышении температуры раствора концентрация большинства новых веществ увеличивается за исключением Са(ОН)₂, растворимость которой понижается. По мере пересыщения раствора избыток растворенного вещества выделяется из него в виде субмикрокристаллов, которые в первую очередь образуются у поверхности цементных зерен и покрывают ее экранирующим слоем, препятствующим дальнейшему взаимодействию минералов цементного зерна с водою. При охлаждении бетона эта оболочка растворяется, и процесс твердения возобновляется.

При повышении температуры не только повышается скорость твердения, но изменяется и сам процесс химического взаимодействия между компонентами бетонной смеси. При высоких температурах все большую роль приобретает кремнезем, входящий в состав заполнителей и добавок к цементу. Связывая в гидросиликаты свободную СаО, образующуюся при гидролизе С₃S:

CaO+SiO₂^aqnCaOSiO₂aq,

кремнезем снижает ее концентрацию в растворе, насыщающем цементный камень. Поскольку основность гидросиликатов зависит от концентрация СаО в воде-среде, то понижение ее приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов типа тоберморита – C₄S₅aq, кристаллы которых представляют собою длинные волокна. Гидросиликаты типа С₂Saq, образующиеся при гидролизе C₃S в нормальных условиях, имеют форму чешуек, невыгодную при построении кристаллического каркаса цементного камня, поэтому частичная замена их волокнистыми кристаллами CSH способствует повышению прочности цементного камня и бетона.

При повышенных температурах, особенно в условиях автоклавной обработки, с кремнеземом вступают в химическое взаимодействие также и гидроалюминаты кальция.

Если С₃АН₆ сравнительно хорошо растворяется в воде, взаимодействуя с гипсом, образует гидросульфоалюминат кальция, то гидрогранаты в воде практически нерастворимы и гидросульфоалюмината не образуют. Кроме того, взаимодействие кремнезема с СаО способствует более полному усвоению активных минеральных добавок, остатки зерен которых в цементном камне способствуют понижению его морозостойкости. Поэтому бетоны, твердеющие при термовлажностной обработке, обладают более высокой морозостойкостью и сульфатостойкостью по сравнению с теми же бетонами, но твердеющими в обычных условиях.

Например, бетоны на пуццолановых цементах обычно неморозостойки, но после термовлажностной обработки успешно применяются для облицовки гидротехнических сооружений.

Все это обусловливает непрерывный рост доли бетонов, твердеющих при повышенных температурах, в общем объеме бетонных конструкций, применяемых в строительстве. Для ускорения твердения бетоны затворяют горячей водой и, используя электропроводность водного раствора в бетоне, пропускают переменный электрический ток (электропрогрев), обрабатывают насыщенным паром в пропарочных камерах (пропарка) при температуре до 100 °С и в автоклавах (запарка) – при температурах до 200° С. Очевидно, по мере роста возможностей машиностроительной промышленности, изготовляющей автоклавы, объем бетонов, подвергаемых запарке, будет непрерывно увеличиваться.

в) Климатические условия на основной части территории РФ обуславливают необходимость выполнения бетонных работ при пониженных температурах, иногда значительно ниже 0°С. Применяемые при этом различные способы поддержания температурного режима, обеспечивающего твердение бетона в нормальных условиях (тепляки, «термос», электропрогрев и др.), дороги и не всегда приемлемы по условиям производства работ. Поэтому в некоторых случаях используется известный в физике криоскопический эффект, т. е. понижение температуры замерзания водных растворов с повышением их концентрации.

Согласно закону Рауля, растворение грамиона вещества в литре воды понижает температуру ее замерзания на 1,84 °С. Практически добавка в бетонную смесь 1% CaCl₂ от веса цемента снижает температуру замерзания бетона примерно на 1 °С. Следовательно, затворяя бетонную смесь раствором солей соответствующей концентрации, можно обеспечить его твердение даже при температурах ниже 0 °С. Обычно возможность производства бетонных работ в зимнее время обеспечивается тем, чтобы не дать бетону замерзнуть при самой низкой температуре, ожидаемой в ближайшее время. Поэтому величина добавки растворимых солей в бетон определяется уровнем ожидаемого понижения температуры.

Чаще всего в качестве растворимых солей применяют CaCl₂ и NaCI как наиболее недефицитные и дешевые. Некоторые исследователи предлагали использовать хлорную известь, NaF и некоторые другие, но распространения они не получили.

При использовании хлористых солей в бетоне нужно учитывать следующие обстоятельства.

Первое – в растворах хлористых солей значительно увеличивается растворимость Са(ОН)₂, что способствует протеканию процесса гидролиза клинкерных минералов и ускорению схватывания и твердения бетона. Поэтому бетон, предназначенный для укладки в конструкцию на морозе, нельзя использовать при положительных температурах, так как он будет быстро густеть. Такой бетон должен быть в полном смысле слова «холодным», т. е. изготовляться из компонентов, имеющих минимальную температуру.

Для ускорения твердения бетона СНиП разрешает добавлять СаСl₂ в количестве не более 2,0% от веса цемента – в армированный бетон и не более 3,0% – в неармированный.

Второе – хлористые соли весьма гигроскопичны, и эту способность они сохраняют в бетоне. Поэтому конструкции из «холодного» бетона всегда сырые, что ограничивает область их применения подземными фундаментами и конструкциями, работающими в воздушной среде и не связанными с пребыванием человека. При использовании «холодного» бетона в конструкциях, подвергающихся действию отрицательных температур, следует иметь в виду, что он подвергается более интенсивному воздействию мороза. Замерзая при температурах ниже 0 °С, он оттаивает во время оттепелей зимой, оттаивает днем и замерзает ночью, что резко увеличивает количество циклов замораживания и оттаивания.

В связи с этим следует отметить вред применения соли для удаления снега и наледи с бетонных покрытий: обычно такие покрытия быстро разрушаются.