2.6.9.Меры борьбы с коррозией. Существуют следующие способы повышения коррозионной стойкости бетона.

1. Применение сульфатостойких цементов, к которым относятся: сульфатостойкий портландцемент; сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками; сульфатостойкий шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент.

Цементный камень глиноземистого цемента обладает повышенной стойкостью против кислотной (и, в частности, углекислой) коррозии, а также стойкостью в мягких и сульфатных водах. В растворах щелочей, однако, глиноземистый цемент подвергается коррозии.

2. Повышение водонепроницаемости бетона осуществляется применением цементов с малой водопотребностью, уменьшением водоцементного отношения, тщательным уплотнением бетонной смеси при укладке, введением гидрофобизующих поверхностно-активных добавок, понижающих долю открытой пористости.

3. Устройство гидроизоляции. Применяются различные виды гидроизоляционных покрытий.

Проникающая гидроизоляция выполняется путем пропитки или инъецирования в поры бетона жидких составов, которые после отверждения делают бетон непроницаемым.

Мастичная гидроизоляция выполняется путем нанесения мастики на защищаемую поверхность. Наносимый слой может армироваться стеклотканью, стеклохолстом и т.п.

Рулонная оклеечная гидроизоляция выполняется из рулонных материалов на основе битумов, битумно-полимерных материалов и полимеров.

Гидрофобизация – особый вид защиты конструкций, при котором вода не может проникнуть в открытые поры бетона, а воздух и водяной пар могут свободно в них перемещаться, что позволяет бетону просыхать. Для этой цели применяют специальные жидкости, которые образуют на стенках пор тончайшую пленку, придающую поверхности водоотталкивающие свойства.

2.7. Тепловыделение бетона и его термическая трещиностойкость

2.7.1. Общие сведения. Тепловыделение бетона обусловлено экзотермической реакцией между водой и цементом. Кроме того, теплота выделяется в результате смачивания водой цемента и заполнителей, что обусловлено понижением поверхностной энергии (поверхностного натяжения) на границе раздела фаз. Некоторые про­цессы в бетоне протекают с поглощением теплоты, например, растворение клинкерных минералов в воде. Однако по сравнению с теплотой химической реакции эти тепловые эффекты незначительны. При экспериментальном определении тепловыделения находят суммарный тепловой эффект всех процес­сов.

В результате тепловыделения происходит саморазо­грев бетонных конструкций в первые несколько суток твердения бетона. В централь­ной части массивных бетонных блоков температура может достигать (60…80) °С, в то время как на поверхности за счет теплообмена с окружающим воздухом она мало отли­чается от температуры последнего. Перепа­ды температуры вызывают в бетонном массиве термические напряжения, приводящие к образованию трещин. Меры борьбы с термическим трещинообразованием подразделяются на два вида:

1) повышение трещиностойкости бетона за счет увеличения его деформативности и прочности при растяжении;

2) снижение температуры саморазогрева, что дости­гается уменьшением блоков бетонирования, снижением тепловыделения бетона, охлаждением заполнителей и воды затворения, пропусканием холодной воды по трубам, проложенным в бетоне.

К мерам по снижению тепловыделения бетона, главным образом, относятся:

1) использование цементов с пониженной экзотермией.

2) сокращение расхода цемента в бетоне.

Если для массивных сооружений экзотермия цемента вредна, то в двух других случаях она играет положительную роль. Для ускорения твердения бетона на строительстве и заводах ЖБИ осуществляют тепловую обработку изделий – пропаривание, электропрогрев и т. п. При этом тепловыделение, являясь дополнительным источником энергии, позволяет сократить энергозатраты. Применяемый в зимних ус­ловиях метод термоса основан на использовании теплоты твер­дения для поддержания положительной температуры бетона.

Процесс тепловыделения характеризует кинетику гидрата­ции вяжущих веществ, позволяет оценить характер и скорость твердения строительных растворов и бетонов.

Для экспериментального определения тепловыделения бетона применяются ка­лориметры трех типов: термосные, адиабатические и изотерми­ческие. Кинетика тепловыделения, зависит от типа калориметра. Это связано с различием температурного режима твердения бетонных образцов при разных методах испытаний.

При термосном методе часть выделяемой теплоты расходу­ется на нагрев образца, а другая часть рассеивается в окружающую воздушную или жидкостную среду с постоянной температурой. Температура образца в опыте сначала повышается (пока скорость тепловыделения достаточно велика), а затем, когда скорость теплопотерь начинает превышать скорость тепловыделения, – падает.

При адиабатическом, методе исключается теплообмен между образ­цом и средой и вся выделяемая теплота расхо­дуется на нагрев образца. Это достигается изменением температуры среды так, чтобы она в каждый момент равнялась тем­пературе образца, которая в процессе опыта непре­рывно возрастает. Когда процесс гидратации и тепловыделения закончится, повышение температуры прекратится, и она установится на достигнутом уровне. Количество выделенной теплоты к любому сроку пропорционально повышению температуры бетона. Коэффициентом пропорциональности является теплоемкость образца.

При изотермическом методе все выделяемое тепло отводится от образца в окружающую среду, температуру которой изменяют (сначала постепенно понижают, а затем повышают) так, чтобы температура об­разца оставалась постоянной. В этом случае скорость тепло­обмена равна скорости тепловыделения в каждый момент времени и все выделяемое тепло отводится в среду. Скорость тепловы­деления пропорциональна разности температур между образ­цом и средой. Коэффициентом пропорциональности является константа теплоотдачи калориметра, равная произведению коэффициента тепло­отдачи на площадь поверхности образца.

С известной степенью приближения температурный режим твердения бетона в реальных условиях мож­но считать термосным. В центральной части массивных бетонных конст­рукций температура достигает наибольших значений. Температура поверхности бетона в результате теплообмена мало отличается от температуры окружающего воздуха, превышая ее в среднем на несколько градусов.

Тепловыделение бетонаQ характеризуют количеством теп­лоты в кДж, выделяемой 1 м³ бетона за время твердения. В среднем Q =(8-10)∙10⁴ кДж/м³. Это значение зависит от расхода цемента Ц в бетоне. Независящей от Ц характеристикой является удельное тепловыделение цемен­та в бетоне, измеряемое в кДж на 1 кг цемента:

q=Q/Ц (2.6)

Результаты экспериментального определения тепловыделе­ния бетона оформляются в виде графиков зависимости Q или q от продолжительности твердения τ (рис. 2.11). На кривых тепловыделения наблюдаются три характерных участка: I – участок интенсивных начальных реакций и выделения теплоты смачивания; II – участок замедления гидратации за счет дейст­вия гипса (экранирования зерен цемента пленками гидросульфоалюмината кальция). Этот участок по времени соответству­ет периоду схватывания цемента; III – участок гидратации, со­ответствующий процессу твердения.

Изотермический метод позволяет установить влияние тем­пературы на скорость и значение тепловыделения. Скорость тепловыделения выражается производной дQ/дτ, то есть тан­генсом угла наклона касательной к кривой тепловыделения. При повышении температуры бетона скорость тепловыделения возрастает и, соответственно, возрастает ин­тегральное количество теплоты Q, выделившейся к данному сроку. Однако к бесконечно большому сроку независимо от тем­пературы интегральное тепловыделение будет одинаковым и равным Q_max. Значение Q_max является пределом, к которому стремится тепловыделение бетона. Чем выше температура, тем быстрее приближается тепловыделение к этому пределу.

В моменты равных тепловыделений, например, в точках 1 и 2 (см. рис. 2.11) при Q₁=Q₂ отношение скоростей тепловыде­ления, а также соответствующих сроков τ₂ и τ₁ остается посто­янным на протяжении всего процесса:

(2.7)

Величина f_t называется температурной функцией. Если заранее известно значение f_t, то можно, имея только кривую 2 (см. рис. 2.11), получить кривую 1 или любую другую, то есть вычис­лить тепловыделение при любой тем­пературе t (кроме отрицательной).

Температурную функцию вычисляют по формуле

, (2.8)

где ε – характеристическая температурная разность. Если t₁-t₂=ε, то f_t=2, то есть при повышении температуры на ε градусов скорость тепловыделения возрастает в 2 раза. Величину ε получают по экспе­риментальным данным тепловыделения бетона при трех (не менее) температурах. Установлено, что характеристическая температурная разность ε не постоянна, а зависит от температуры. Эту зависимость аппроксимируют линейной функцией ε=kt+l, где k≈0,13; l≈8 – эмпирические характеристики процесса. Уравнение тепловыделения для изотермического режима твердения бетона является наиболее простым:

(2.9)

Здесь A_t – коэффициент темпа тепловыделения, характеризу­ющий скорость тепловыделения при постоянной температуре t; т – порядок реакции гидратации. Для портландцемента порядок реакции составляет от 2 до 2,3.

Значения Q_max, A_t и т вычисляют по экспериментальным данным. Кривые, построенные по уравнению тепловыделения (2.9), хорошо совпадают с экспериментальными на участке III. Расхождение расчетных и экспериментальных кривых на участ­ках I и II для практических целей несущественно.

Удельное тепловыделение цемента q зависит от вещественного и минералогического состава це­мента. Пуццолановый и шлаковый портландцементы, в которых часть клинкер­ной составляющей заменена менее активной до­бавкой пуццоланы или шлака, имеют пониженное тепловыделение по сравнению с портландцементом. Тепловыделение портландце­мента возрастает с повышением содержания в нем С₃А и C₃S при соответствующем уменьшении количества C₄AF и C₂S. Теп­лота полной гидратации минералов портландцементного клин­кера убывает в ряду: С₃А>C₃S>C₄AF>C₂S.

При повышении тонкости помола растет скорость тепловыделения цемента, однако, предел Q_max не изменяется.

Условия гидратации цемента зависят от состава бетона. Поэтому удельное тепловыделе­ние цемента q на самом деле не является вполне независимым от рас­хода цемента Ц, как это можно было бы ожидать, исходя из формулы (2.6), а снижается с увеличением Ц (при постоянной подвижности бетонных смесей), асимптотически приближаясь к не­которому минимальному пределу. При постоянном расхо­де цемента в бетоне или при постоянной подвижности бетонной смеси увеличение В/Ц вызывает некоторое повышение тепло­выделения. Причем эта зависимость близка к линейной.

Пластифицирующие поверхностно-активные добавки адсорбируются из раствора на зернах цемента, образуя на поверхности зерен плохо проницае­мые пленки, затрудняющие поступление воды к цементу. При этом, в начальный период твердения (см. участок II на рис. 2.11), скорость гидратации и тепловыделения резко замедляется на несколько часов. В результате постепенного превращения цемента в набухающие продукты гидратации экранирующие пленки разрушаются, и дальнейшее твердение протекает нормально. Очень длительную задержку тепловыде­ления до 1 суток вызывает суперпластификатор С-3.

Добавки-ускорители твердения, такие как хлорид кальция, поташ, нитрат кальция и другие, повышают как скорость тепло­выделения, так и конечное значение теплового эффекта. Послед­нее обстоятельство объясняется тем, что эти добавки способст­вуют более глубокой гидратации клинкерных минералов, а также участвуют в образовании термодинамически более устойчивых соедине­ний взамен обычных продуктов гидратации.

2.7.2. Расчет теплового эффекта при изотермическом твердении бетона. С.Д. Окороков установил, что при одной и той же температуре тепловыделение портландцемента определяется его минералогическим составом. На основании большого количества экспериментов он установил долю участия каждого из минералов в экзотермии цемента. Удельное тепловыделение цемента можно рассчитать по формуле

q = а∙C₃S + b∙C₂S + с∙С₃А + d∙C₄AF, (2.10)

где C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF – процентное содержание в цементе клинкерных минералов. Коэффициенты а, b, с и d выражают количество теплоты в кДж, выделяемой в одном кг цемента каждым из минералов в расчете на 1 % минерала. Значения этих коэффици­ентов для температуры изотермического твердения портландцемента 20° С указаны в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Данные для расчета удельного тепловыделения портландцемента при 20 °С
Продолжительность твердения, сут	Доля минералов в тепловыделении, кДж/(кг∙%)
	а	b	с	d
3	3,89	0,67	6,35	-0,50
7	4,58	0,97	8,66	-1,73
28	4,78	0,64	9,63	0,59
90	4,95	0,97	10,29	1,39
180	5,11	1,86	10,29	1,60
360	5,31	2,23	10,57	1,68

Тепловыделе­ние бетона при температуре 20 °С равно

Q=qЦ.

С помощью температур­ной функции f_t можно рассчитать тепловыделение бе­тона Q_t при любой другой температуре твердения, кроме отрицательной.

2.7.3. Расчет тепловыделения бетона при адиабатическом режиме твердения. В реальных блоках бетонирования температура не остается постоянной, она повышается при твердении бетона, особенно внутри крупных блоков, для которых более подходит адиабатический режим твердения. Для расчета адиабатического тепловыделения воспользуемся температурной функцией (2.8) и формулой (2.9). По полученным выше значениям Q вычислим Q_max и коэффициент темпа A_t, который обозначим A₂₀, т.к. Q нами рассчитано при 20 °С.

Порядок реакции т для портландцемента составляет 2,0—2,3. Примем т=2. Для нахождения Q_max и A₂₀ можно со­ставить систему двух уравнений, подставив в уравнение (2.9) сопряженные значения τ и Q для любых двух сроков твердения. Однако точность такого решения будет невысокой. Лучше всего использовать не две, а все пары значений τ и Q.

При т=2 уравнение (2.9) приводится к линейному виду τ/Q=ατ+β, где α=1/Q_max и β=1/(Q_maxA₂₀).

График зависимости τ/Q=f(τ) (рис. 2.12) есть прямая линия с угловым коэффициентом α, отсекающая по оси ординат отрезок, рав­ный β.

Обычно точки графика «пляшут» и чтобы найти положение прямой и получить достоверные значения α и β пользуются методом наименьших квадратов. Вычислим для каждого срока τ, значения τ/Q_, τ², τ²/Q и найдем их суммы от 1 до n: ∑τ, (∑τ)², ∑(τ/Q), ∑τ², ∑(τ²/Q). Тогда

(2.11)

гдеп — число точек графика.

При адиабатическом тепловыделении Q_max, как уже говорилось, является тем же самым пределом, что и при любом другом режиме тепловыделения, а A_t становится функцией температуры. Зная A₂₀, величину A_t можно найти как

A_t=A₂₀∙f_t= A₂₀∙2^{(tад –20)/ε}. (2.12)

То количество выделяемой теплоты, которое в изотермическом режиме полностью переходило в среду, в адиабатическом режиме идет на нагревание бетона. При этом повышение температуры бетона против начальной равно

Δt_ад= t_ад-t_o=Q/cγ_б, (2.13)

где t_ад – текущая температура бетона в адиабатическом процессе; t_о – начальная температура бетона; с и γ_б – удельная теплоемкость и объемная масса бетона. Удельную теплоемкость бетона с можно рассчитать по правилу аддитивности:

с=(с_цЦ+с_вВ+с_пП+с_крКр)/γ_б, (2.14)

где с_ц, с_в, с_п, с_кр – удельные теплоемкости, кДж/(кг∙°С), соответственно, це­мента, воды, песка и крупного заполнителя, Ц, В, П, Кр – расходы материалов в кг/м³.Такое же количество теплоты, что и в изотермическом процессе, в адиабатическом режиме будет выделено за более короткие сроки, которые можно рассчитать как

τ_ад=χ/[(1-χ)A_t], (2.15)

где χ = Q/Q_max.

2.7.4. Распределение температуры в бетонном массиве. В действительности повышение температуры бетона против начальной будет меньше, чем найденное по формуле (2.13) для адиабатического режима, т.к. не вся, а только часть выделенной теплоты пойдет на нагрев блока бетонирования, другая часть будет потеряна в окружающую среду в результате теплообмена. Количество потерянной теплоты Q_п, согласно закону теплообмена Ньютона, пропорционально разности температур между поверхностью бетона и окружающей средой t_n-t_ext, времени τ и площади теплообмена S:

Q_п=α(t_n-t_ext)τS, (2.16)

где α – коэффициент теплоотдачи [Вт/(м²∙°С)], равный количеству теплоты, теряемой единицей площади теплообмена в единицу времени при разности температур между телами в 1 градус. Температура поверхности бетонного массива t_n устанавливается, исходя из граничных условий.

Распределение температуры в бетоне подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности:

(2.17)

где k=λ/cγ_б – коэффициент температуропроводности, м²/с; ∂Q/∂τ=скорость тепловыделения. Уравнение (2.17) имеет множество решений, каждым из которых является температура как функция координат и времени. Единственное решение получается при определенных начальных и граничных условиях, отражающих конкретную инженерную задачу.

Член (1/cγ_б)(∂Q/∂τ) выражает изменение температуры бетона в связи с тепловыделением. Введем в уравнение (2.17) вместо t безразмерную функцию v, равную произведению двух безразмерных температурных функций: v=uχ. Пусть

u=Δt/Δt_ад и χ=Δt_ад/Δt_max=Q/Q_max, (2.18)

где u – функция остывания; χ – функция источника тепла; Δt=t-t_o повышение температуры бетона (в результате тепловыделения и одновременного остывания); Δt_max= t_max-t_o максимально возможное повышение температуры при адиабатическом (без теплопотерь) саморазогреве бетона. После преобразования с учетом того, что u является функцией времени и координат, а χ – только функцией времени, получим:

(2.19)

Полагаем, что безразмерная функция остывания u не зависит от уровня температуры, задаваемого источником тепла и может быть получена из (2.19) при ∂χ/∂τ=0. В этом случае уравнение (2.19) становится однородным уравнением теплопроводности Фурье

(2.20)

Рассмотрим двустороннее остывание плоской стенки неограниченной протяженности (рис. 2.13). Граничные условия: при x=0 и при x=δ, функция u(τ)=0 (температура поверхности блока постоянна и равна 0). Задача одномерна, поэтому уравнение теплопроводности принимает вид

(2.21)

При классическом методе решения уравнения Фурье температурную функцию представляют в виде произведения двух функций, одна из которых – функция времени, другая – функция координат: u(τ, x)=f₁(τ)f₂(x). Аналитическое решение получается наиболее простым при начальном условии u(x)=u_оsin (πx/δ) и u_о=1 при τ=0:

(2.22)

где δ – толщина стенки.

С.А.Фрид обобщил функцию остывания для бетонных массивов различных размеров, формы и условий теплообмена на границе, получив выражение:

(2.23)

где Φ – характеристика формы, зависящая от геометрии тела.

Для прямоугольных тел характеристика формы рассчитывается по формуле:

(2.24)

где S – площадь поверхности теплообмена; V – объем остывающего массива; P – суммарная длина ребер внутри поверхности теплообмена. При определении Ф учитываются только те грани и ребра, через которые происходит теплообмен бетонного блока с окружающей средой.

Для кубического блока, опирающегося одной гранью на бетонное основание, в теплообмене с воздухом участвуют 5 граней и 8 ребер. При длине ребра куба d=1 м, S=5 м², V=1 м³, P=8 м, Ф=2,25 м^–2. При d=10 м, Ф=0,0225 м^–2 и т.д.

2.7.5. Температурные деформации. При изменении температуры бетонного массива объем его элементов должен увеличиваться или уменьшаться. Однако изменения объема, как правило, ограничены внутренними и внешними связями, из-за которых в бетоне возникают термические напряжения, могущие привести к образованию трещин. В свободных бетонных элементах, не имеющих ограничений по внешнему контуру также возникают температурные напряжения, называемые собственными напряжениями. Наиболее простым примером свободного массива является высокая плоская стена, например, бык бетонной водосливной плотины. Распределение разности температур θ=t–t_n по толщине такой стены характеризуется эпюрой, показанной на рис. 2.14 (t_n – температура при x=0 и x=δ). Трещиностойкость бетона можно приближенно оценить по его предельной растяжимости, равной

ε_пред=R_р/Е+ε_пл+ε_пз, (2.25)

где R_р и Е – предел прочности и модуль упругости бетона при растяжении; ε_пл – предельная пластическая деформация удлинения; ε_пз – предельная деформация ползучести.

Образование трещин возможно в том случае, если температурная деформация бетона ε_t превысит его предельную растяжимость ε_пред.

При симметричной эпюре распределения температуры (см. рис. 2.14) температурная деформация в вертикальном направлении в среднем составляет

ε_t=βΩ/δ, (2.26)

где, β – коэффициент линейного температурного расширения, который для бетона в среднем равен 1,2∙10^–5 °С^–1; Ω – площадь эпюры температурной разности θ; δ – толщина стены.

Избежать термического трещинообразования в бетоне можно снижением его тепловыделения. либо отводом выделяемого тепла тем или иным способом.