Теплофизические свойства, долговечность бетона

При расчете ограждающих конструкций на термическое сопротивление, а также температурных полей массивных железобетонных сооружений (фундаменты, плотины и т.п.) используются такие теплофизические характеристикибетона, как коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, коэффициент температуропроводности, которые связаны между собой.

Некоторые из указанных характеристик бетона могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Так, например, согласно СП23-101-2004, удельная теплоемкость неорганических конструкционных материалов и их составляющих (бетон, щебень и др.) составляет 0,84 кДж/кг °С, а коэффициент теплопроводности конструкционного бетона 1,51 Вт/м °С в сухом состоянии.

Известно, что различные горные породы, используемые в качестве заполнителей для бетонов, имеют существенно различающиеся значения коэффициентов теплопроводности при практически одинаковом значении удельной теплоемкости и средней плотности.

Таким образом, величина коэффициента теплопроводности бетона существенно зависит от вида крупного заполнителя.

Коэффициент теплопроводности цементного камня зависит в основном от его средней плотности, т.е. фактически от пористости.

Коэффициент теплопроводности бетона существенно зависит от теплотехнических свойств его компонентов, что не учитывают зависимости коэффициента теплопроводности от плотности.

С увеличением сорбционной влажности бетона до 97% коэффициент теплопроводности возрастает у бетонов на пористых заполнителях до 55%, а у ячеистых бетонов и перлитобетонов – более чем в два раза относительно величины в сухом состоянии.

Тепловыделение бетона в процессе твердения есть результат реакций взаимодействия портландцемента с водой, т.е. реакций гидратации, которые являются экзотермическими. Тепловыделение цемента зависит от его минералогического и вещественного состава, тонкости помола, температуры и времени твердения, наличия добавок.

Разогрев бетона массивных конструкций вызывает неоднородное температурное поле по сечению и может привести к трещинообразованию. Для снижения трещинообразования при бетонировании массивных конструкций используют цементы с низкой экзотермией. Также применяют специальные мероприятия по отводу тепла (например, прокладка в теле конструкции труб, по которым циркулирует хладоагент). Применение некоторых добавок позволяет «растянуть» экзотермию во времени, что также можно рассматривать как способ, предотвращающий быстрый неоднородный разогрев массивных конструкций, поскольку в реальных условиях «абсолютного» отсутствия теплопотерь не бывает.

Долговечность бетона при определенных условиях эксплуатации — одна из его наиболее важных характеристик. Разрушение бетона может произойти при действии мороза, щелочной коррозии заполнителя, карбонизационной усадке, при химическом воздействии агрессивных сред и т. д. Развитие этих процессов можно изменить с помощью добавок.

Щелочная коррозия заполнителя. Этот вид коррозии особенно опасен при повышенном содержании щелочей в цементе (что становится весьма типичным, поскольку такие способы производства цементов самые экономичные), большом расходе цемента (что требуется для получения высокопрочных бетонов) и использовании реакционноспособных заполнителей.

Для этого вида коррозии (как и для некоторых других) характерно разрушение в результате расширения бетона при эксплуатации.

Существуют несколько методов определения склонности бетона и его составляющих к щелочной коррозии: петрографический, согласно ASTM C295, необходим для характеристики заполнителя; метод ASTM C586, с помощью которого определяют реакционную способность (к воздействию щелочей) карбонатного сырья, используемого в качестве заполнителя; методы ASTM C227 и ASTM С289 (химические, с целью определения потенциальной реакционной способности, вызванной кремнеземистым заполнителем), а также метод испытания бетонных призм, отражающий поведение бетона.

Щелочи могут содержаться в портландцементе в водорастворимой и нерастворимой формах. Водорастворимые щелочи определяют, согласно методу ASTM С114-77. Их содержание находится в пределах 10—60 % общего количества щелочей; они часто попадают в цемент в виде сульфатов, а также с топливом при его производстве.

Нерастворимые формы щелочей могут оказаться в цементе с глинами и некоторыми силикатами. В целом общее количество КгО и Na20 в цементе (в пересчете на Na20) не превышает 1 %. При содержании щелочей до 0,6 % (в расчете на Na20) цемент считается низкощелочным.

Возможны три типа реакций, приводящих к щелочной корр&зии заполнителя: кремнеземно-щелочная, карбонатно-щелочная и силикатно-щелочная.

Способы предотвращения щелочной коррозии заключаются в том, что в цемент вводят 20—30 % пуццолана или заменяют часть цемента шлаком. Механизм действия пуццолана недостаточно ясен: предположительно, он связывает щелочи и, возможно, образует нерасширяющиеся известково-щелочно-кремнеземистые комплексы. Однако введение пуццолана неэффективно при карбонатно-щелочных реакциях. Есть данные о том, что объемные расширения удается снизить с помощью литийсодержащих добавок (1 %). Полезны также фосфаты и некоторые другие вещества, включая соли бария. Кроме того, для снижения опасности этого вида коррозии используют смешанные цементы (уменьшение содержания щелочей) и смешанные заполнители (уменьшение реакционноспособных фаз) и т. д.

Морозостойкость. Повышение морозостойкости бетона, особенно с помощью воздухо-вовлекающих добавок, справедливо считается одним из самых эффективных способов решения этой актуальной проблемы.

При рассмотрении разных аспектов морозостойкости бетона важную роль играют структура цементного камня и его контактная зона, на которые удается влиять с помощью добавок.

Коррозия бетона в морской воде. В морской воде скорость коррозии бетона нелегко прогнозировать: во-первых, в этой среде может протекать сразу несколько реакций, идущих как параллельно, так и последовательно; во-вторых, некоторые из этих реакций приводят к деструктивным, а другие — к конструктивным процессам.

Опасность для бетона представляют и сульфаты, и хлориды, и магний-ионы, содержащиеся в морской воде.

Следует, однако, учитывать, что их концентрация сравнительно невелика. Кроме того, реакция алюминатных фаз цементного камня с сульфатами с образованием эттрингита может снизить скорость взаимодействия этих фаз с хлоридами, а несвязанные хлориды, в свою очередь, способны стимулировать коррозию арматуры в бетоне.

Лекция 6

Тема:Особенности составов и свойств различных бетонов.

1. Легкие бетоны на пористых заполнителях.

2. Поризованные бетоны.

3. Крупнопористые бетоны.

4. Ячеистые бетоны.

5. Силикатные и шлакощелочные бетоны.

6. Цементно-полимерный бетон, полимербетоны, бетоно-полимеры.

7. Бетоны для гидротехнических сооружений, для дорожных и аэродромных покрытий.

8. Фибробетоны.

9. Декоративные бетоны.