Управление тепловыделением в бетоне: что влияет на долговечность массивных сооружений

Бетонирование массивных конструкций — сложная задача. Исполнители работ нередко сталкиваются с деформациями и образованием трещин в массивных бетонных конструкциях. Почему так происходит? При смешивании цемента с водой начинается реакция гидратации минералов портландцементного клинкера, и выделяется тепло.

В центральной части конструкции это тепло накапливается, а по краям происходит быстрый отвод тепла в воздух. Разница температур приводит к термонапряженному состоянию бетона. И в результате образуются температурные трещины в бетоне. Способствует этому и физика материала. Там, где тепло, материал расширяется, там, где холодно, материал сжимается.

❮

❯

Подробнее о проекте — здесь

Почему массивные конструкции трескаются: виды дефектов

Температурные трещины

В ядре конструкции температура может достигать 80 градусов. В то же время температура на периферии может составлять 30-40 градусов. Выходит, что разница между ядром и периферией может быть порядка 50 градусов. Из-за этого появляется растягивающее напряжение и, как следствие, трещины.

Изменение упругопластических свойств

При быстром росте температуры ускоряются все химические реакции, и меняется структура образования цементного камня. Снижается модуль упругости, и растет объем пластических деформаций. Также может происходить дегидратация различных минералов, и может нарушаться связь между компонентами бетона.

Потеря прочностей в проектном возрасте

Такое случается чаще всего, когда речь идет о производстве железобетонных изделий, так как они подвергаются дополнительному тепловому воздействию, чтобы ускорить набор прочности. Тут очень важно соблюдать температурный режим, поскольку при очень быстром приросте температуры изделие нагревается на поверхности, но внутри не успевает. Так образуются трещины и всевозможные дефекты внутри конструкции. Бывали такие случаи, когда внутри оставалась несвязанная свободная вода, которая еще и закипеть может. Все это приводит к потере прочности уже в позднем проектном возрасте — 28 дней. Дефекты от таких ошибок сложно обнаружить до момента, пока конструкция не установлена и не получила тестовую нагрузку.

Гидратация основных соединений цементного клинкера

В таблице перечислены основные клинкерные минералы, а также некоторые дополнительные компоненты из тех, что содержатся в цементе и значительно влияют на разогрев бетона при гидратации цемента.

Мы видим, что самый активный из четырех клинкерных минералов — трёхкальциевый алюминат — 1160 Дж/г. Он вступает в реакцию с водой практически при добавлении. За ним идет трёхкальциевый силикат — 520 Дж/г. Эти два минерала сильно влияют на раннюю прочность. Но к 28 суткам — это проектный возраст для цементов — это влияние снижается.

Двухкальциевый силикат — 260 Дж/г. Минерал более «спокойный», он выделяет тепло на поздних сроках. К третьим суткам он отдает примерно 10% от общей величины своего тепла. Но прочность наращивает достаточно долго, и процесс гидратации этого минерала может длиться несколько лет.

Четырёхкальциевый алюмоферрит — 420 Дж/г. Тепловыделение у минерала растянутое, энергия выделяется на более поздних сроках. Так что на температуру внутри конструкции в первые сутки он влияет незначительно.

Оксид кальция при гидратации выделяет почти такую же энергию, как и трёхкальциевый алюминат — 1150 Дж/г. Оксид кальция практически всегда есть в цементе, но в небольших количествах. А вот если его будет много, выделится слишком много тепла, и в бетоне появятся трещины. Более того, при добавлении воды оксид кальция значительно увеличивается в объеме. И это тоже напрямую влияет на образование трещин.

Количество оксида магния тоже следует контролировать. Он выделяет много энергии — 840 Дж/г, но не в первые сутки.

Что ещё, кроме цемента, влияет на тепловыделение бетона

Важно помнить, что на процесс разогрева массивной конструкции влияет не только цемент в составе бетона. Она определяется совокупностью факторов, среди которых водоцементное отношение, физические свойства заполнителей, свойства добавок. Давайте рассмотрим каждый фактор подробнее.

Водоцементное отношение

Чем меньше воды, тем больше выделяется тепла, процесс проходит интенсивнее. Чем больше воды, тем медленнее выделяется тепло в ранние сроки. Увеличение количества воды можно с осторожностью использовать как один из инструментов контроля тепловыделения. Я говорю с осторожностью, потому что нельзя просто взять и увеличить водоцементное отношение, так как это влияет на физико-механические свойства бетона. Необходимо сначала провести корректировки с проверкой всех декларируемых показателей бетона.

Физические свойства заполнителей

На разогрев конструкции также влияют заполнители. У каждого вида заполнителя — щебня, песка, — свои параметры теплоемкости и теплопроводности. Чем выше теплопроводность, тем быстрее отводится тепло из центра бетонной конструкции. И она равномернее остывает. Чем выше теплоемкость заполнителя, тем медленнее проходит процесс распределения тепла в конструкции, ниже перепады температурных полей между центром конструкции и периферией. Заполнители с высокой теплоемкостью позволяют создавать буфер и держать равномерную температуру.

Температура бетонной смеси

Температура бетонной смеси напрямую определяет кинетику гидратации цемента и, как следствие, характер и объём тепловыделения.

Реакции гидратации клинкерных минералов — C₃S, C₂S, C₃A и др.д — экзотермические. Их скорость подчиняется температурной зависимости, близкой к правилу Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °C скорость реакций возрастает примерно в 2–4 раза — в диапазоне, типичном для бетонирования.

Это значит:

• При более высокой начальной температуре смеси пик тепловыделения наступает раньше и бывает выше по интенсивности. Суммарное тепло за первые сутки может быть больше из-за ускоренной ранней гидратации.
• При низкой начальной температуре реакция идёт медленнее, пик сдвигается на более поздние сроки и часто бывает ниже по амплитуде. Суммарное тепло к 3–7 суткам может оказаться сопоставимым, но распределено во времени иначе.

❮

❯

Добавки в бетонную смесь

Химические добавки также могут влиять на температуру. Замедлители твердения снижают интенсивность набора тепла в ранние сроки, растягивая процесс. Ускорители твердения, наоборот, провоцируют повышение температуры бетонной смеси. Необходимо учитывать данные факторы при проектировании составов бетонных смесей.

Пластифицирующие добавки в бетон, которые значительно снижают количество воды в бетонной смеси, позволяют снизить и расход цемента. За счет этого можно сгладить температурный градиент в конструкции.

По тому же принципу работают и активные минеральные добавки в цемент — микрокремнезём, зола уноса, шлак, метакаолин. Они повышают прочность и позволяют немного снизить количество цемента. А за счёт этого — снизить и количество выделяемого при гидратации тепла.

Геометрия и размеры конструкции

Важно не забывать, что именно разогрев конструкции зависит от ее размера. Массивными конструкциями считаются те, что в сечении больше 0,8 метров, либо имеют модуль поверхности менее 2 в соответствии с СП 63.13330.2018 Если конструкция массивная, в ее ядре создаются адиабатические условия, т.е. нет теплообмена с окружающей средой. Тепло накапливается и не рассеивается. Отсюда и яркий температурный градиент.

Как снизить риск термонапряжения в массивных бетонных конструкциях

Есть несколько способов снизить тепловыделение бетона в массивных конструкциях. Разберем отдельно каждый из них.

Технология укладки и ухода

Очевидно, что еще на этапе проектирования конструкции нужно максимально снизить риски. Разбивать массив на менее масштабные захватки, т.е. дробить конструкцию. Также важно разработать проект производства работ по уходу за бетоном после заливки, например, охлаждать его различными способами, или, наоборот, изолировать, чтобы снизить разницу в температуре между центром конструкции и ее краями.

Контроль скорости остывания/нагрева конструкции

Важно контролировать скорость нагрева и остывания конструкции. Она не должна превышать от 5 до 15 градусов в сутки. Если рост или падение температуры будет более интенсивным, можно гарантированно получить дефект конструкции. Это происходит из за большой разницы температурных полей, как говорилось ранее, разогрев конструкций более интенсивный в центре, из за быстрого прироста температуры возникает температурный градиент между центром конструкции и ее периферией. Чем более плавный набор температуры, тем равномернее распределяется тепло по телу конструкции.

Контроль температурного режима тепловлажностной обработки

При тепловой и тепловлажностной обработке бетона тоже важно контролировать температурный режим. Подъем температуры в камере при тепловой обработке не должно превышать 20 градусов в час. При резком подъеме температуры поверхность бетона начинает интенсивно нагреваться и твердеть с поверхности, внутри конструкции бетон еще не успевает схватываться, в связи с этим возникают внутренние напряжения и появляются дефекты. Необходимо подбирать оптимальный режим тепловой или тепло-влажностной обработки изделий разных типов.

Еще важный момент — если конструкция сильно разгорелась, то, поливая поверхность холодной водой, мы охлаждаем периферию, а внутри она остаётся горячей. Так мы только усиливаем температурный градиент. И еще больше провоцируем риск трещинообразования. Иногда можно, наоборот, утеплить конструкцию, чтобы снизить перепад температуры между ядром и периферией.

Все это должно быть предусмотрено заранее. Например, когда заливают плотины для гидроэлектростанций — это огромные массивы бетонные конструкции — внутрь закладывают трубы, по которым циркулирует холодная вода. Конструкция охлаждается изнутри.

Армирование

Те зоны в бетонной конструкции, которые больше других подвержены риску возникновения дефектов, как правило, усиливают армированием. Схема армирования прописывается еще на этапе проектирования после тщательных расчётов.

Деформационные швы

Представьте, например, полотно цементобетонного основания дороги. Массивный слой материала, который очень вероятно даст трещины. Где будут эти трещины, мы заранее знать не можем. И не можем знать, как сильно они могут повлиять на надежность конструкции. Чтобы взять образование трещин под контроль, в бетоне нарезают деформационные швы — это распил тела бетона от края до края. По факту деформационный шов — это управляемая трещина, которую мы сделали в том месте, где она не нанесет вреда.

❮

❯

Лабораторные испытания

В Исследовательском центре ЦЕМЕНТУМ мы провели серию тестов, чтобы наглядно определить влияние тех или иных факторов на процессы выделения тепла. Мы взяли образцы двух видов цемента: бездобавочный, ЦЕМ 0 52,5Н и цемент с добавками ЦЕМ II 42,5Н.

❮

❯

Влияние водоцементного отношения на тепловыделение цемента

Влияние водоцементного отношения на тепловыделение в ЦЕМ 0 52.5Н

Мы измерили тепло, которое выделяется в процессе гидратации при разном водоцементном отношении: 0,3, 0,4 и 0,5.

По оси Х время, а по оси Y — температура, которую мы зафиксировали. Что мы видим? Чем ниже водоцементное отношение, тем раньше начинает активно выделяться тепло, и тем выше максимальная температура. Если посмотреть по количеству выделяемого тепла, то особой разницы мы не увидим.

Сравнение тепловыделения в ЦЕМ 0 52.5Н и ЦЕМ II 42.5Н при равном водоцементном отношении 0,4

Дополнительно мы сравнили между собой два разных вида цемента при одинаковом водоцементном отношении. Видно, что в случае ЦЕМ 0 выделение тепла более интенсивное и максимальная температура выше на 15-17 градусов.

Влияние добавок на тепловыделение в ЦЕМ 0 52.5Н

И, конечно, мы оценили влияние добавок на разных основах — поликарбоксилат эфира и лигносульфонат в равной дозировке и при равном водоцементном отношении. Для теста мы взяли ЦЕМ 0 52,5Н. На графике видно, что максимальная температура отличается незначительно — на 1-2 градуса, что можно принять за погрешность. Но именно начало выделения тепла значительно сдвинуто вправо. То есть оно на добавках начинается позже. Разницы по температуре при смене типа добавок при проведении наших испытаний мы не заметили

Исследование составов бетонных смесей

Параллельно мы провели еще одну работу — исследовали цемент в бетонных смесях. Мы взяли образцы цементов для инфраструктурного строительства с разным минералогическим составом и протестировали их в бетонных смесях без добавок, в смесях с добавкой поликарбоксилата, а также сделали раствор без щебня — мелкозернистый бетон. Водоцементное отношение везде одинаковое.

Как мы проводили эти испытания. Подготовили короб с толщиной стенки 100 миллиметров. Погрузили в образцы бетона термопары для фиксации температуры. И вывели все результаты на графики.

Мы не заметили значительного влияния минералогического состава цемента на максимальную температуру бетонного раствора. Цемент из пробы № 4 содержит достаточно много алита, который в ранние сроки выделяет большое количество тепла, а также трехкальциевого алюмината. Но при этом у него одна из самых низких максимальных температур на всех трех составах — с добавкой, без нее и даже на растворе.

А если мы посмотрим, например, цементы, у которых достаточно низкое содержание алита и трехкальциевого алюмината, мы заметим, что температура выше. Да, незначительно, но выше. Хотя можно было ожидать как раз другого результата.

❮

❯

Мы также вывели на график пробы одного цемента при разных составах для наглядности. Видно, что на бездобавочном бетоне и на бетоне без крупного заполнителя максимальная температура очень похожа. Но остывание на растворном бетоне идет подольше. Ну и видно, что с добавкой максимальная температура выше, и он интенсивнее остывает за счет того, что уже пиково набрал и отдал все тепло.

Мы сталкивались с тем, что для строительства объектов клиенты предпочитают покупать цемент 42,5, вместо 52,5, потому что боятся «бешеного тепловыделения». Но вот мы провели исследование и видим, что без добавок 52,5 цемент разогревает раствор меньше, чем 42,5. Результаты работы ярко показывают: на процесс выделения тепла в бетонной смеси влияет не только цемент. И хорошие новости заключаются в том, что мы можем этими процессами управлять — достаточно много есть рычагов.

Одно из направлений для будущих исследований в ЦЕМЕНТУМ — проверить влияние количества крупного заполнителя на процесс выделения тепла. В зависимости от того, какой щебень будет использоваться, может быть разный эффект. Что-то лучше проводит тепло, а что-то, наоборот, аккумулирует тепло в себе, и в этом случае будет более длительный процесс нагревания и остывания раствора.

Дмитрий Калугин менеджер по разработке продукта ЦЕМЕНТУМ