8.7. Теплофизические свойства
Теплофизические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации) ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, поведение конструкций при пожаре и воздействии других факторов.
Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Она характеризуется количеством тепла (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при разности температур в 1о в течение 1 с.
Коэффициент теплопроводности бетона колеблется в широких пределах от 0,08 до 1,74 Вт/(моС) и несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет наиболее низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Однако при насыщении пор водой теплопроводность резко возрастает.
Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава, структуры и плотности и может изменяться в пределах 0,75–1,1 кДж/(кгоС). Вода имеет более высокую теплоемкость (4,19 кДж/(кгоС), поэтому с повышением содержания воды в бетоне (или его влажности) теплоемкость бетона возрастает.
8.8. Огнестойкость
Под огнестойкостью понимается способность бетона сохранять прочность при кратковременном воздействии высоких температур, например, при пожаре.
При нагреве бетона до высокой температуры вследствие различных коэффициентов линейного расширения цементного раствора и крупного заполнителя в бетоне возникают большие внутренние напряжения, что приводит к уменьшению сцепления между его составляющими и понижению прочности. При температуре 547 оС начинается разложение гидрата окиси кальция по уравнению
Са(ОН)2 → СО2 + Н2О,
что приводит к разрушению кристаллического сростка цементного камня и к дальнейшему понижению прочности бетона.
При пожарах бетон достаточно огнестоек, что следует объяснить малой теплопроводностью бетона, а также тем, что при его нагревании происходит разрушение кристаллогидратов цементного камня и выделяется адсорбционно и химически связанная вода, на испарение которой затрачивается значительное количество тепла. Вследствие этого интенсивность прогрева бетона уменьшается.
8.9. Тепловыделение при твердении
Взаимодействие клинкерных минералов с водой сопровождается выделением тепла, в результате чего при схватывании и начальном твердении бетона повышается его температура.
В зависимости от вида и расхода цемента на 1 м3 бетона и массивности конструкции температура бетона в процессе его твердения может повыситься до 50 оС и более. При этом происходит тепловое расширение бетона, перекрывающее его усадку. Так как коэффициент температурного расширения бетона примерно равен 0,00001, то уже при повышении температуры бетона на 15о расширение его составит 0,15 мм/м, т. е. будет равно средней конечной величине усадки.
Рис. 8.10. Температурные кривые твердеющих цементов: 1 – глиноземистый; 2, 3 – портландцементы (2 более тонкого помола, чем цемент 3); 4 шлакопортландцемент с 30 % шлака; 5 – шлакопортландцемент с 70 % шлака
Повышение температуры в теле бетона в массивных бетонных конструкциях сопровождается возникновением растягивающих термических напряжений, величина которых может превзойти собственную прочность бетона на растяжение, и в нем образуются трещины, понижающие долговечность сооружения.
Возникновение термических напряжений является следствием неравномерного разогрева бетона, так как при сравнительно быстром охлаждении поверхностных слоев внутренние слои из-за малой теплопроводности бетона сохраняют повышенную температуру в течение продолжительного времени. В массивных бетонных сооружениях выравнивание температуры продолжается месяцами.
Количество тепла, выделяемого при твердении бетона, зависит от вида, минералогического состава (рис. 8.10) и тонкости помола цемента, его расхода на 1 м3 бетона и от других факторов.
Наибольшее количество тепла выделяется при твердении бетона на глиноземистом цементе, наименьшее – на шлакопортландцементе с большим содержанием шлака. Введение в бетон тонкомолотых добавок снижает тепловыделение при твердении бетона.