6.3.3. Види калориметрії

Експериментально теплота гідратації може визначатись або прямим вимірюванням кількості теплоти, яка виділяється при твердінні цементу, або непрямим вимірюванням теплоти гідратації за різницею розчинення вихідного цементу і затвердівшого цементного каменю у потрібний період часу.

При експериментальному визначенні екзотермії цементу використовуються калориметри слідуючих типів:

• термосні, в яких частина теплоти реакції гідратації акумулюється всередині калориметричної системи, а частина розсіюється;

• адіабатичні, в яких вся теплота реакції акумулюється всередині калориметричної системи і теплообмін із оточуючим середовищем практично відсутній;

• ізотермічні, в яких вся теплота реакції надходить в оточуюче середовище і температура матеріалу залишаеється постійною;

• калориметри, в яких температура матеріалу підтримується стосовно заданої програми.

Теплота гідратації цементу істотно залежить від режиму твердіння і досягає найбільшого значення при адіабатичному і найменшого при ізотермічному методі визначення.

6.3.4. Термосний метод калориметрії

Поширення набув термосний метод. Калориметрична установка (рис.6.8) включає водяний термостат, в який поміщено термоси (посудини Дюара) із посудинами з листової нержавіючої сталі для цементного розчину.

Температура твердіючого розчину вимірюється за допомогою звичайних термометрів із довгою хвостовою частиною або термісторів, під'єднаних до електронного містка. Це дозволяє здійснювати автоматичне записування температурних кривих.

Теплоту гідратації цементу за даний проміжок часу знаходять із формули:

, (6.28)

д

Рис.6.8. Схема установки для визначення теплоти гідратації цементу термосним методом:

1 – термостат; 2 – посудина Дюара; 3 – термометр; 4 – переміщувач; 5 – термометр Бекмана; 6,9 – елементи нагрівного пристрою; 7 – термореле; 8 – датчик температури.

е m_ц– маса цементу, г; Q– загальна кількість теплоти (кал), що виділяється твердіючим цементом за певний час.

Співвідношення між одиницями теплової енергії 1 кал=4,1868 Дж, температури 10С=К і маси 1 г=10–3 кг. Загальна кількість теплоти Q включає теплоту, яка накоплюється в термосі і втрачену за той самий період

, (6.29)

де Ср– теплове значення (кал/0С) термоса з цементним розчином; Ср=0,2Ц+0,2П+В+С; у співвідношенні Ц, П, В– відповідно маса цементу, піску і води, числові коефіцієнти – питомі теплоємності матеріалів; С– теплове значення зібраного термосу (кал/0С)

(6.30)

де m– маса термоса,г; m1– коркової пробки; m2– скляної трубки для термометра; m3– ртуть в скляній трубці; m4– циліндричної посудини із листової нержавіючої сталі; m5– пробки на дні термоса, на яку встановлено циліндричну посудину із листової сталі; – об'єм частини термометра зануреного в цементний розчин, см3; t0 і tх– відповідно початкова і кінцева температура цементного розчину, 0С; Qк– постійна (коефіцієнт) тепловіддачі термоса, кал/год.0С

, (6.31)

де mв– маса води, г; t3 і t44– різниця температур термоса і термостата відповідно через 3 і 44 год.

F0–Х– площа між кривою температури розчину і лінією температури термостату за відрізок часу від 0 до Х год (рис.6.9).

Час, год

Рис.6.9. Зміна температури твердіння розчину

Площа, розміщена нижче лінії температури термостату (F1), вираховують із площі розміщеної вище цієї лінії (F2+F3+F4+F5+F6).

Дослід проводять у такій послідовності:

1. Збирають термос. Для цього в нього поміщають внутрішню циліндричну посудину з листової нержавіючої сталі просочуючи коркову пробку гумовим клеєм або проварюють її у парафіні і після висушування в отвір пробки щільно вставляють запаяну з одного кінця скляну трубку для термометра. Зазор між пробкою і трубкою заливають мєндєлєєвською замазкою.

2. Визначають теплове значення зібраного термоса (С).

3. Знаходять постійну тепловіддачі термоса (Qk) на основі спостереження за зниженням температури води, налитої в посудину із листової нержавіючої сталі, поміщеної у термос. Початкова температура води рекомендується приблизно на 250С вище, ніж в термостаті, в якому підтримується температура 2010С.

4. Готують цементний розчин, склад якого підбирають таким чином, щоб максимальне підвищення температури під час дослідження було близьким до 150С (табл.6.2).

Кількість води у розчині підбирають із умови одержання стандартного розпливу конуса, тобто 105...110 мм. Весь цементний розчин швидко переносять у металеву посудину, ущільнюють і поміщають в термос на пробкову підкладку.

Таблиця 6.2.

Рекомендуєме співвідношення між цементом і нормальним піском

Вид цементу	Співвідношення для цементів марок
	300...400	400...600
Портландцемент	1:2	1:2,5
Пуцолановий портландцемент	1:1,5	1:2
Шлакопортландцемент	1:1,2	1:1,5

5. Термос із цементним розчином закривають пробкою і герметизують водонепроникною замазкою. При цьому вмонтована в пробку скляна трубка, в яку попередньо для кращого теплообміну наливають ртуть, вертикально опускають у розчин. Зібраний термос поміщають в термостат, в якому на протязі всього випробування підтримують температуру води 2010С.

6. Фіксують початкову і послідуючу температуру розчину до тих пір, доки після деякого підйому вона не знизиться майже до температури води у термостаті. Якщо не проводиться автоматичний запис температурної кривої, тоді проводять відлік температури в процесі її підвищення через кожну годину цілодобово, а під час зниження – в перші 16 год через кожні 2 год, а потім один раз на добу до закінчення випробування. Тепловиділення цементного розчину в основному закінчується у 7–добовому віці.

Д

Рис.6.10. Криві тепловиділення бетону:

1 – дослідна; 2 – розрахункова ізотермічна

Т, діб

ля наближення способу випробування до натуральних умов термосний метод визначення теплоти гідратації цементу, як і інші методи, можна здійснити безпосередньо на бетонах складу ідентичного або близькому до виробничого. При термосному визначенні теплоти гідратації цементу у бетонних сумішах повинна бути достатня ємкість термосів (здебільше не меншого за 3 л для кожного).

У зв'язку із непостійним температурним режимом твердіння одного і того ж цементу в різних калориметрах, що викликається непостійністю сталої тепловіддачі Qк і неодинаковою масою порцій розчину або бетонної суміші, дані, одержані термосним методом, неспівставимі. Це потребує приведення їх до певного ізотермічного режиму твердіння. Воно полягає у тому, що у визначенні приведеного часу, тобто часу, за який розчин (бетон) при постійній температурі 200С покаже таке саме тепловиділення, як і в досліді. Визначення приведеного часу (20) проводиться за формулою:

, (6.32)

де – час твердіння цементу в калориметрі; t– температура в термосі при визначенні теплоти гідратації цементу.

Інтегрування можна здійснити графічно при визначенні F0–Х (рис.6.9) так і чисельними методами. За даними відповідних розрахунків будують криві тепловиділення (рис.6.10).