5.8 Визначення температури твердіння бетонної суміші при екзотермічних процесах

Тепловиділення або екзотермія бетону є наслідком гідратації структуроутворення цементного каменю. Гідратація цементу супроводжується виділенням тепла, що може бути встановлено по зміні температури бетонної суміші за допомогою спеціалізовано виготовленого “приладу-термосу” (зображений на рис. 5.14, 5.15, 5.16).

Постановка задачі. Роль ранніх стадій твердіння бетонів в забезпеченні необхідних властивостей бетонів різного призначення велика. У цей період з найбільшою швидкістю та інтенсивністю відбуваються основні реакції гідратації клінкерних мінералів, формується структура цементного каменю і контактна зона із заповнювачем, розвиваються явища, які супроводжують твердіння, – тепловиділення, контракція, усадка тощо [1].

Усе це зумовлює необхідність поглибленого вивчення процесів твердіння на ранніх стадіях залежно від багатьох рецептурних, технологічних та кліматичних чинників з метою визначення можливостей забезпечення заданих властивостей бетонів.

Аналіз досліджень. Одним із головних наслідків процесів твердіння цементу в бетоні є тепловиділення (екзотермія). Тепловиділення – інтегральний вираз елементарних реакцій: змочування, хімічних реакцій, кристалізації новоутворень тощо.

Для цементів, які тверднуть, тепловиділення має екзотермічний характер. Його прийнято характеризувати двома показниками – швидкістю й повнотою, які залежать від багатьох чинників. Найважливіші з них: хімічний і мінеральний склад цементів, склад бетону, вид і концентрація домішок, які вводяться, масивність виробів і конструкцій, температура довкілля тощо.

Дослідження дали змогу встановити, що формування власного термонапруженого стану в бетонних виробах і конструкціях викликане особливостями структуроутворення в матеріалі за наявності температурних впливів.

Час формування температурної кривої нульових напружень може визначатися за часом утворення просторової кристалізаційної структури із гідросилікатів кальцію в шарі з найбільшим відставанням процесу гідратації.

Час утворення просторової кристалізації структури із гідросилікатів кальцію може бути визначений за часом найбільшої інтенсивності тепловиділення цементу за його гідратації.

Взаємозв’язок інтенсивності тепловиділення із структуроутворенням був підтверджений дослідженнями процесів екзотермії цементу в термосному калориметрі і виконанням робіт за допомогою електронного мікроскопа [35].

Склад цементу значно впливає на процеси гідратації і тепловиділення, причому істотна (значна) роль відводиться основності цементів, пониження якої приводить до підвищення температурної сприйнятливості.

Отримані показники температур твердіння бетонної суміші наведено у табличній формі (таблиця 5.6). На основі цих результатів побудовано графіки впливу змінних факторів експерименту на температуру твердіння цементу при екзотермічних процесах (рис. 5.16).

Отже, може зробити висновок, що зі зростанням температури твердіння закономірно зростає інтенсивність і повнота перебігу реакцій гідратації для усіх бетонів, які досліджувались.

Особливої різниці впливу вмісту комплексної добавки, водо цементного відношення та та повторного вібрування на температури твердіння не виявлено. Помітно, що у всіх дослідах температура поступово підвищується на 3-4ºС, досягає максимуму приблизно на 12, 13, 14 годинах твердіння, після чого іде на спад. Максимальне значення температури (27ºС) отримано у досліді №2, на 14 годині тужавлення.

Вивчення тепловиділення при гідратації портландцементу різноманітного мінералогічного складу підтвердило, що найбільш термічними мінералами в цементі є C₃S и С₃А, причому C₄AF уповільнює тепловиділення інших мінералів.

Слід відмітити, що тепловиділення портландцементу знаходиться в прямій залежності від швидкості його гідратації. Тому підвищення питомої поверхні цементу, застосування добавок-прискорювачів твердіння сприяють прискоренню тепловиділення. Відразу після замішування вуміші з водою починається виділення теплоти, котре спочатку зменшується, потім знову починає зростати у відповідності з переривчастим характером гідратації портландцементу.