Свойства бетона при каких температурах
Сто́йкость бето́на — это способность материала долго сохранять свои свойства: огнестойкость и жаростойкость, морозостойкость, стойкость бетона в химически агрессивной водной и газовой среде, сохранять свои эксплуатационные качества при работе в неблагоприятных условиях внешней среды без значительных повреждений и разрушений.
Особенно высокое расширение твердеющего бетона (цементного камня) происходит в процессе образовании гидросульфоалюмината кальция (3CaSO4 • 3СаО • Al2O3 • 3Н2О). Также коррозия бетона может наблюдаться при наличии в воздухе влаги и различных кислых газов. Так, например, сернистый газ, выходящий из топок котлов, паровозов или из некоторых химических аппаратов, соединяясь с влагой воздуха и парами воды, образует сернистую кислоту, которая разрушает бетон так же, как и свободная кислота в водной среде. Процессы химической коррозии бетона нельзя рассматривать вне связи с физическими и физико-химическими процессами, происходящими в бетоне под воздействием внешней водной или газовой среды. Большое влияние, в частности, оказывают объёмные деформации, возникающие в результате влагообмена (поглощения воды и её испарения), процессы замораживания и оттаивания, просачивания и фильтрации воды, диффузионные процессы перемещения влаги в бетоне и т. д.
Повышение стойкости бетона независимо от вида коррозии достигается обеспечением необходимой плотности и однородности строения бетона. Наличие раковин и различного рода неплотностей в виде открытых или сообщающихся между собой щелей, трещин, образующихся в результате температурных или усадочных деформаций, наиболее благоприятствует возникновению и развитию процессов коррозии.
Для повышения стойкости бетона по отношению к чисто химическим процессам коррозии необходимо не только обеспечивать достаточную плотность бетона, но и производить отбор вяжущих и заполнителей, наиболее стойких в условиях данного вида коррозии.
Вопрос сохранности арматуры в бетоне неразрывно связан с вопросом стойкости бетона, поэтому его уместно будет рассмотреть здесь же.
Сохранность арматуры в бетоне[править | править код]
Как правило, стальная арматура, заключённая в бетоне, не разрушается (но ржавеет) и может сохраняться в хорошем состоянии в течение весьма продолжительного времени. Сохранность арматуры объясняется наличием щелочной среды в бетоне. Это справедливо лишь для бетонов достаточно плотных, где исключена возможность доступа воздуха непосредственно к стержням стальной арматуры. Поэтому арматура в конструкции должна быть покрыта защитным слоем бетона, минимальная толщина которого колеблется от 10 (для тонкостенных и пустотелых плит, настилов) до 120 мм (для крупных гидротехнических сооружений). При неблагоприятной окружающей среде (высокая влажность, вредные газы и т. п.) толщину защитного слоя следует увеличивать. Защитный слой должен быть плотным, без каких-либо трещин или изъянов, в противном случае назначение его не оправдывается. Трещины в защитном слое открывают доступ воздуха непосредственно к арматуре, что вызывает образование плёнки ржавчины, сопровождающееся увеличением её объёма. Последнее вызывает растягивающие усилия в бетоне, растрескивание и разрушение защитного слоя, со всеми отрицательными последствиями для долговечности железобетонной конструкции.
Огнестойкость и жаростойкость бетона[править | править код]
Под огнестойкостью понимают сопротивляемость бетона кратковременному действию огня при пожаре. Под жаростойкостью понимают стойкость бетона при длительном и постоянном действии высоких температур в условиях эксплуатации тепловых агрегатов (жароупорный бетон). Бетон относится к числу огнестойких материалов. Вследствие сравнительно малой теплопроводности бетона кратковременное воздействие высоких температур не успевает вызвать значительного нагревания бетона и находящейся под защитным слоем арматуры. Значительно опаснее поливка сильно разогретого бетона холодной водой (при тушении пожара), она неизбежно вызывает образование трещин, разрушение защитного слоя и обнажение арматуры при продолжающемся действии высоких температур.
В условиях длительного воздействия высоких температур обычный бетон на портландцементе не пригоден к эксплуатации при температуре выше 250°. Установлено, что при нагреве обычного бетона выше 250—300° происходит снижение прочности с разложением гидрата окиси кальция и разрушением структуры цементного камня. При температуре выше 550° зёрна кварца в песке и гранитном щебне начинают растрескиваться вследствие перехода кварца при этих температурах в другую модификацию (тридимит), что связано со значительным увеличением объёма зёрен кварца и образованием микротрещин в местах соприкосновения зёрен заполнителя и цементного камня. При дальнейшем повышении температуры разрушаются и другие структурные элементы обычного бетона.
Научными работами, а также практикой установлена возможность получения на основе портландцемента жароупорного бетона, стойкого до температуры 1100—1200° и более.
Для этого в бетон необходимо вводить тонкомолотые кремнезёмистые или алюмокремнезёмистые добавки, связывающие свободный гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации цемента. В качестве же заполнителей применяют материалы, обладающие достаточной степенью огнеупорности и термостойкости, например хромистый железняк, шамот, базальт, андезит, отвальный доменный шлак, туфы и кирпичный щебень. Максимальная температура, выдерживаемая конструкциями, зависит от огнеупорности и термостойкости заполнителей и тонкомолотых добавок. Так, при применении шамота и молотых добавок максимальная эксплуатационная температура жароупорных бетонов на портландцементе достигает 1100—1200°. При максимальной эксплуатационной температуре 700° можно в качестве заполнителей бетона применять базальт, диабаз, андезит, отвальный доменный шлак, артикский туф, бой глиняного кирпича, а в качестве тонкомолотых добавок — пемзу, золу-унос, гранулированный доменный шлак, цемянку. Для таких же температур (до 700°) допускается замена портландцемента в бетоне шлако-портландцементом без введения в этом случае тонкомолотых добавок. Для приготовления жароупорного бетона с эксплуатационной температурой до 1300—1400° следует применять глинозёмистый цемент с мелким и крупным заполнителями из шамота или хромистого железняка. Тонкомолотые добавки для связывания гидроксида кальция в этом случае не требуются. В качестве вяжущего для жароупорного бетона с максимальной температурой до 900—1000° можно применять также жидкое стекло с кремнефтористым натрием.
Стойкость бетона в химически агрессивной водной и газовой среде[править | править код]
Цементный камень в бетоне как компонент обычно менее стойкий, нежели каменные заполнители, при воздействии на бетон химически агрессивных агентов разрушается в первую очередь. Все причины коррозии бетона на портландцементе могут быть сведены в следующие основные группы:
- физическое растворение и вынос фильтрующей сквозь бетон мягкой, пресной водой гидрата окиси кальция и других растворимых соединений, входящих в состав цементного камня (явление выщелачивания). Коррозия этого вида связана с прогрессирующим уменьшением плотности бетона;
- взаимодействие компонентов цементного камня, прежде всего гидрата окиси кальция, со свободными кислотами, которые могут содержаться в воде. В результате этого взаимодействия образуются относительно легко растворимые соли этих кислот (CaSO4, СаСl2, Са(НСО3)2 и др.), легко вымываемые водой из бетона;
- взаимодействие содержащихся в минерализованных водах солей, в частности сульфатных или магнезиальных, с составными частями цементного камня, например Са(ОН)2, ЗСаО • Аl2О3 • 6Н2О; в результате могут происходить обменные реакции с образованием в цементном камне новых соединений, легче растворимых в воде, нежели исходные компоненты цементного камня, например образование под действием сульфатных солей вместо Са(ОН)2 легко растворимого гипса. Гипс при кристаллизации увеличивается в объёме, что может привести к внутренним напряжениям и образованию трещин, усиливающих процессы коррозии бетона и арматуры.
См. также[править | править код]
- Бетон
- Бетон ячеистый
- Легкие бетоны
- Железобетон
- Фибробетон
- Морозостойкость
- Цемент
Источники[править | править код]
- Райхель В., Конрад Д. Бетон, часть 1. Свойства. Проектирование. Испытание. Пер. с нем./Под ред. В. Б. Ратинова. — М.: Стройиздат, 1979. — 111с.
- Райхель В., Глатте Р. Бетон. Часть 2: Изготовление, производство работ, твердение. Под ред. В. Б. Ратинова. — М.: Стройиздат, 1981. — 112 с,
- Невилль А.М. Свойства бетона. Пер. с англ. В.Д. Парфенова и Т.Ю. Якуб. — М.: Стройиздат, 1972. — 344с.
- Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона с заданными свойствами — М.: Стройиздат, 1980.
- Акимова Т.Н. Минеральные вяжущие средства: Учебное пособие / МАДИ (ГТУ). — М., 2007. — 98 с.
- Акимова Т.Н., Курденкова И.Б. Природные каменные материалы: Методическое пособие / МАДИ (ГТУ). — М., 2007. — 54 с.
- Литманович А.А., Литманович О.Е. Аналитическая химия. Ч.1: Качественный химический анализ: Методическое пособие / МАДИ (ГТУ) — М., 2008. — 32 с.
- Е. Шильд, Х.-Ф. Кассельман, Г. Дамен, Р. Строительная физика. Поленц Перевод с немецкого. — М.: Стройиздат, 1982.
- Семириков И.С. Физическая химия строительных материалов — М.: Стройиздат, 2004
- Мурадов Э.Г. Материалы для приготовления бетонной смеси и строительного раствора. Учеб.пособие для СПТУ. — М.: Высш. шк., 1987. — 111с
- Крылов Б.А. и др., Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях. — НИИЖБ, 2005.
- Гамильтон К., Морган Дж., в сб.: Органические реакции, пер. с англ. Н. Э. Нифантъев., сб. 2, — М., 1950, с. 461-65.
- Л.И. Дворкин, О.Л.Дворкин.Справочник по строительному материаловедению. — М.:Инфра-Инженерия. 2010. 472 с.
Ссылки[править | править код]
Чтобы готовое изделие из бетона, после заливки, набрало необходимую проектную прочность и прослужило долгие годы, необходимо соблюдать температурный режим во время твердения. Оптимальная температура для твердения бетона +20С, при которой бетон набирает прочность за 28 суток. Но что делать, если вы заливаете фундамент осенью, когда температура воздуха чуть выше нуля? Современные технологии позволяют справиться с этой проблемой. Более того, при соблюдении определённых мер, бетонные работы можно производить даже зимой.
Процесс набора прочности бетонных конструкций
Чтобы ответить на вопрос: «При какой температуре можно заливать бетон?», необходимо понять, что происходит с бетоном во время твердения. После приготовления бетонной смеси в ней начинает происходить химическая реакция между водой и цементом. Этот процесс называют гидратацией цемента, которая проходит две стадии:
- схватывание
- твердение
При схватывании в реакции участвуют алюминаты (С3А). В результате образуются иглообразные кристаллы, которые связываются между собой. Спустя 6 — 10 часов из этих кристаллов образуется подобие скелета.
С этого момента начинается твердение бетона. Здесь уже вступают в реакцию с водой клинкерные минералы (C3S и C2S) и начинает формироваться силикатная структура. В результате этой реакции образуются мелкие кристаллы, которые объединяются в мелкопористую структуру, что по сути и является бетоном.
Влияние отрицательной температуры на твердение бетона
Скорость течения гидратации сильно зависит от температуры. Снижение температуры с +20С до +5С увеличивает время твердения бетона до 5 раз. Но особенно резко замедляется реакция при дальнейшем снижении до 0С. А при отрицательной температуре гидратация прекращается, т.к. вода замерзает. Как известно, вода при замерзании расширяется. Это приводит к увеличению давления внутри бетонной смеси и разрушению сформировавшихся связей кристаллов. Как следствие происходит разрушение структуры бетона. Также образовавшийся лёд обволакивает крупные элементы заполнителей смеси (щебень, арматуру), разрушая их связи между цементным тестом. Это приводит к ухудшению монолитности конструкции.
При оттаивании воды процесс твердения возобновляется, но уже при деформированной структуре бетона. Что может привести не только к отслоению арматуры и больших элементов заполнителя бетонной смеси, но и к трещинам. Естественно, прочность такой бетонной конструкции будет гораздо меньше расчетной.
Следует заметить, что чем раньше бетон подвергся замораживанию, тем меньше будет его прочность.
Бетонирование зимой
Так как низкая температура значительно снижает скорость твердения, а мороз губительно сказывается на конструкции в целом, значит бетон надо согреть. Причем необходимо обеспечить равномерный прогрев. Минимальная температура для заливки бетона должна быть выше +5С. Если температура внутри смеси будет больше температуры снаружи смеси, то это может привести к деформации конструкции и образованию трещин. Прогревают бетон до момента набора критической прочности. При отсутствии данных в проектной документации о значении критической прочности она должна быть не менее 70% от проектной прочности. Если установлены требования по показателям морозостойкости и водонепроницаемости, то критическая прочность должна быть не менее 85% от проектной.
При заливке бетона в минусовую температуру используют разные технологии прогрева бетона. Чаще всего применяют способы:
- Термоса
- Электронагрева
- Паропрогрева
Метод термоса
Данный метод используется при массивных конструкциях. Он не требует дополнительного обогрева, но температура укладываемой смеси должна быть более +10С. Суть данного метода состоит в том, чтобы уложенная смесь, остывая, успела набрать критическую прочность. Химическая реакция твердения бетона является экзотермической, т.е. выделяется тепло. Поэтому, бетонная смесь подогревает сама себя. При отсутствии теплопотерь бетон может разогреться до температуры более 70С. Если опалубку и открытые поверхности защитить теплоизолирующим материалом, снизив таким образом теплопотери твердеющего бетона, вода не замерзнет и бетонная конструкция будет набирать прочность.
Для реализации метода термоса не требуется дополнительного оборудования, поэтому он является экономичным и простым.
Электронагрев бетонной смеси
Если в установленные сроки нельзя обеспечить набор критической прочности методом термоса, то прибегают к электронагреву. Разделяют три основных способа:
- прогрев электродами
- индукционный нагрев
- использование электронагревательных приборов
Способ прогрева электродами заключается в следующем, в свежеуложенную смесь вводят электроды и подают на них ток. При протекании электрического тока электроды нагреваются и обогревают бетон. Следует отметить, что ток должен быть переменным, т.к. при постоянном токе происходит электролиз воды с выделением газа. Этот газ экранирует поверхность электродов, сопротивление тока возрастает и нагрев существенно снижается. Если в конструкции используется железная арматура, то её можно использовать в качестве одного из электродов. Важно обеспечить равномерность прогрева бетона, и осуществлять контроль температуры. Она не должна превышать 60С.
Расход электроэнергии при данном способе варьируется в пределах 80 – 100 кВт*ч на 1 м3 бетона.
Индукционный прогрев используется редко, в силу сложности реализации. Он основан на принципе бесконтактного нагрева электропроводящих материалов токами высокой частоты. Вокруг стальной арматуры обматывают изолированный провод и пропускают через него ток. В результате появляется индукция и происходит нагрев арматуры.
Расход энергии при индукционном прогреве составляет 120 – 150 кВт*ч на 1 м3 бетона.
Ещё один из способов электронагрева бетона – это применение электронагревательных приборов. Существуют греющие маты, которые раскладываются на поверхности бетона и включаются в сеть. Так же можно соорудить над бетоном подобие палатки и уже внутри поставить электронагревательные приборы, например тепловую пушку. Но в данном случае необходимо позаботиться об удержании влаги в бетоне, не допустить преждевременного высыхания.
При температуре окружающего воздуха -20С расход электроэнергии, при данном методе, будет составлять 100 — 120 кВт*ч на 1 м3 бетона.
Паропрогрев бетона
Прогрев бетона паром является весьма эффективным и рекомендуется для тонкостенных конструкций. С внутренней стороны опалубки создаются каналы, через которые пропускают пар. Можно сделать двойную опалубку и пропускать пар между её стенками. Так же можно проложить трубы внутри бетона, и пропускать пар по ним. Бетон этим способом нагревают до 50 – 80С. Такая температура и благоприятная влажность ускоряет твердение бетона в несколько раз. Например, за двое суток, при данном методе, бетон набирает такую же прочность как при недельном твердении в нормальных условиях.
Но у этого метода есть существенный недостаток. Требуются внушительные затраты на его организацию.
Использование присадок
Ещё одним способом зимнего бетонирования является использование химических ускорителей твердения и противоморозных добавок. К ним относятся хлористые соли, нитрит натрия, карбонат кальция и др. Эти добавки понижают температуру замерзания воды и ускоряют гидратацию цемента. Их использование позволяет обойтись без прогрева бетона. Некоторые добавки повышают морозостойкость бетона, тем самым гидратация происходит даже при -20С.
Использование присадок обладает рядом недостатков. Их наличие в смеси пагубно сказывается на арматуре, начинается процесс коррозии. Поэтому использовать их можно только в неармированной конструкции. Также, при использовании противоморозных добавок, в зимний период, бетон наберёт прочность не более 30%. При наступлении плюсовой температуры произойдет оттаивание и дальнейший процесс набора прочности. Поэтому в бетоне, работающем при динамических нагрузках (фундамент под вибростанки, молоты и т.д.), использовать добавки нельзя.
Бетонирование в условиях сухого жаркого климата
Наряду с холодом бетон боится жары. Если температура окружающего воздуха превышает 35С и влажность менее 50%, то это способствует повышенному испарению воды из бетонной смеси. В результате водноцементный баланс нарушается и процесс гидратации замедляется или вовсе прекращается. Поэтому необходимо применять определённые меры по защите смеси от потери влаги. Можно понизить температуру свежеприготовленной смеси, если использовать охлаждённую воду, либо разбавить воду льдом. Этот нехитрый способ позволит избежать значительной потери воды при укладке смеси. Но через некоторое время смесь нагреется, поэтому следует позаботиться о дальнейшей герметичности конструкции. Опалубка должна быть герметичной, чтобы избежать потерь влаги через трещины. Впитывающую поверхность опалубки необходимо обработать специальным составом, ограничивающим сцепку с бетоном и поглощение влаги из него.
Необходимо оградить твердеющий бетон от воздействия прямых солнечных лучей. Для этого поверхность бетона укрывают мешковиной или брезентом. Через каждые 3 — 4 часа необходимо производить смачивание поверхности. Причём период увлажнения может достигать 28 суток, т.е. до полного набора прочности.
Одним из способов защиты при дефиците воды является возведение над поверхностью бетонной конструкции воздухонепроницаемого колпака из плёнки ПВХ толщиной не менее 0,2 мм.
Заключение
При +20С бетон набирает прочность за 28 суток. Бетонная смесь, без использования методов нагрева или охлаждения, твердеет при температуре от +5С до +35С. Но время набора проектной прочности будет разным. Чем выше температура смеси, тем быстрее она твердеет. Для заливки бетона выходящего за рамки указанной температуры, необходимо использовать определённые методы.
При отрицательных температурах надо прибегать к методам нагрева на протяжении всего срока набора критической прочности. Необходимо чтобы нагрев смеси был равномерным, без больших перепадов температуры в центре и на периферии. Так же необходимо осуществлять постоянный контроль за температурой.
Если же температура выше +35С, то необходимо принимать меры по охлаждению смеси в момент приготовления, транспортировки и укладки. Это делается для предотвращения потери воды и, как следствие, нарушению водноцементного баланса, что негативно сказывается на прочности бетонной конструкции. После укладки необходимо либо увлажнять бетон, либо обеспечить герметичность конструкции.