Для процесса гидролиза и гидратации цемента очень важна температура, при которой протекает твердение. Изменение температуры воды изменяет растворимость различных соединений.
Учитывая полиминеральность и полидисперсность портландцемента, можно утверждать, что от условий твердения зависит и структура цементного камня. Указанные обстоятельства, влияющие на структуру цементного камня, связаны не только с процессом их образования, но и процессами, снижающими строительно-технические свойства, т. е. структурообразование нельзя рассматривать вне процесса деструкции цементного камня, который во многих случаях сопутствует образованию цементного камня.
Оптимальным надо считать такой режим твердения цемента, при котором процессы деструкции сведены к минимуму. По указанным причинам виды и марки цемента (как на основе портландцементного клинкера, так и на иных основах — иных минеральных фазах) имеют резкое различие в оптимальных режимах твердения.
Исследуя твердение цемента, И. Езиоранский и Д. Заботкин (1863—1864) связали этот процесс с распадом при гидратации и гидролизе сложного известкового силиката кальция, приводящим к образованию: гидратированного соединения извести с кремнеземом, гидрата окиси кальция, простых гидратированных соединений извести с глиноземом. Акад. Д. С. Белянкин (создатель науки технической петрографии) и проф. В. В. Лапин в работе «Петрография технического камня» отмечают, что изложенные выше основные положения теории твердения в своей основе близки к современным взглядам.
Как видно из таблицы, теории твердения вяжущих весьма различны. Взгляды двух советских исследователей (П. А. Ребиндера и С. Д. Окорокова) но вопросам твердения сводятся к рассмотрению: а) только состава равновесных и неравновесных фаз в системах цементный минерал — вода без учета механизма возникновения новообразований; б) кинетики гидратации новообразований из минералов цемента; в) причин, порождающих прочность цементной связки цементного камня — механизма образования прочных структур при гидролизе и гидратации.
В настоящее время многолетние дискуссии по поводу кристалличности или коллоидности новообразований прекращены и в исследованиях. Новые более совершенные приемы исследований обеспечивают получение более надежной и разносторонней информации. Благодаря электронному микроскопу удалось показать, что любые гелеобразные структуры являются структурами кристаллическими, но со значительно большей дисперсностью (меньшими размерами кристаллов) или такие структуры являются продуктами коллоидной дисперности. Следует уточнить представления, связанные с формированием цементного теста и цементного камня.
Цементное тесто в ходе физико-химического процесса твердения цемента меняет свое состояние по причине постепенного накапливания гидратированных продуктов. Предел времени, в течение которого пластичное цементное тесто изменяет состояние, превращаясь в цементный камень с относительно малой механической прочностью (когда игла на приборе Вика под стандартной нагрузкой не проникает внутрь образца), условно назван периодом или сроком схватывания. Схватывание цемента не начинается и не кончается до начала его твердения, а протекает перед этими процессами со свойственным для минералов полиминерального цемента своеобразием в каждом зерне цемента, являясь начальной стадией твердения. Приведенные сведения о процессах гидролиза и гидратации зерен цементного порошка показывают, что образование многофазной структуры цементного камня — сложный процесс, позволяющий с полным основанием считать, что бетонные работы следует отнести к химической технологии.
Сказанное о схватывании цемента как бы противоречит наблюдаемому процессу схватывания и твердения цементного теста. Действительно, визуально и приборами четко фиксируется разделение процессов схватывания и твердения. После окончания схватывания теста мы как бы экспериментируем уже с другим телом — цементным камнем. Однако даже через достаточно продолжительный отрезок времени, исчисляемый годами, в цементном камне еще находится значительное количество негидратированного цемента. Это подтверждает, например, микроскопический анализ прозрачного шлифа из образцов бетона на портландцементе с 20% трепела, твердевшем под водой 15 и 36 лет.
Приведем применяемое в петрографических анализах описание такого образца1. В основной массе наблюдается до 25% неразложившихся зерен клинкера, отдельные обломки которых достигают 250 мкм. Эти обломки состоят из белита (C2S) и алюмоферрита (C4AF), реже встречаются обломки, состоящие из алита и большого количества алюмоферритов. Во внутренних порах исследуемого образца нередко наблюдается образование кристаллов слуьфоалюмината, часто в виде крупных иголок длиной до 150 мкм и диаметром до 6 мкм.
На поверхности образца обнаруживается корочка, состоящая из агрегатов мельчайших кристалликов карбоната кальция, частично окрашенных в буроватый цвет окислами железа. Наблюдается тонкозернистая слабо поляризующаяся масса, в которой встречаются отдельные участки с довольно высоким двупреломлением. Иногда вокруг зерен кварца наблюдается образование тонкозернистой массы с более высоким показателем светопреломления. В поляризованном свете обнаружена тонковолокнистая масса с волнистым погасанием и средним показателем светопреломления 1,510. В пробе находилось большое количество тонкочешуйчатой массы с более высоким двупреломлением и со средним показателем светопреломления 1,517. Можно увидеть также тонкозернистые обломки карбонатов кальция и много обломков сульфоалюмината тонкоигольчатой формы. Длина кристаллов — до 60 мкм. Они значительно мельче, чем в порах.
Такие широко применяемые петрографические методы исследований позволяют четко фиксировать количество непрореагировавшего цемента и, в частности, на основании такого анализа судить о химико-минералогическом составе цемента, тонкости его помола, условиях твердения бетона (раствора). Например, анализ образцов бетона на портландцементе, твердевших на воздухе в естественных условиях 15 лет, показал, что в этих образцах находится уже не 15, а 40% неразложившихся зерен цемента, обломки которых достигают длины 240 мкм. При этом зерна алита (C3S) даже не вступили в реакцию. Обломки состоят большей частью из алита и алюмоферритов и реже из белита с алюмоферритами. В основной массе встречаются кристаллы карбоната кальция. В другой пробе бетона на портландцементе, твердевшей 15 лет в естественных климатических, условиях, также зафиксировано до 40% неразложившегося цемента, обломки минералов которого встречаются в агрегатах, достигающих размеров 260 мкм и состоящих из белита и алюмоферритов, реже из обломков алита с алюмоферритами.
Следует заметить, что пробы бетона, твердевшего в естественных климатических условиях, взяты из кубов размером 2x2x2 м. Сказанное подчеркивает значимость учета исходного петрографического состава клинкера для кинетики твердения цемента (определения показателей прочности). Различия в размере кристаллов белита и алита, их расположение в структуре клинкера сказались на последующей гидратационной активности цемента при твердении в бетоне. Следовательно, определив даже через 15 лет наличие в цементе значительного количества зерен нереагировавших с водой и зная, что систематическое упрочнение бетона и повышение его технических свойств прямым образом связаны с непрерывным и постепенным замедляющимся с течением времени включением в процессы гидролиза и гидратации новых количеств цемента, можно утверждать, что сначала пройдет начальная фаза твердения — схватывание. Заметить этот процесс существующими приемами определения схватывания цементного теста в системе цементное тесто+воздух нельзя, так как схватывание протекает не в свежем цементном тесте, а в системе цементный камень+цементное тесто+свободная вода+воздух, и его наличие можно фиксировать по упрочнению цементного камня.
Схватывание, протекающее в относительно короткие сроки на первых этапах твердения, характеризуется превращением пластичного теста в цементный камень в силу отсутствия на поверхности зерен цемента оболочек из продуктов реакции воды с цементом. Не трудно увидеть, как цемент с высоким показателем п. п. п., т. е. цемент, подвергшийся воздействию паров воды и углекислого газа воздуха в период хранения, при перемешивании с водой уже не позволяет получить пластичное тесто и не твердеет, так как его зерна покрыты продуктами реакции минералов цемента с водой. На поверхности каждого зерна цемента уже прошел процесс схватывания.
Следовательно, фиксируемое нами загустевание пластичного теста, в течение которого в химическую связь с цементом вступает весьма ограниченное количество воды затворения, зависит от того ее количества, при котором цементный камень приобретает проектные показатели прочности и другие свойства, отражает физическую картину сорбции воды поверхностью зерен полиминерального цемента.
При гидратации алюминатов кальция даже при нормальных температурах и давлениях они образуют различные кристаллические гидроалюминаты. Однако сказанное о твердении цемента только тогда имеет практическое значение для производства бетонных работ, когда твердение отдельных зерен, т. е. процесс образования на их поверхности новообразований, меняющих свое физическое состояние от пластичных коллоидных до твердых прочных систем камневидного типа, проходит при максимально возможном их сближении, приводящем к омоноличиванию—связыванию таких зерен продуктами реакции. Примером может служить цемент с избыточным количеством воды, введенной в цементное тесто или бетон, в котором вода затворения не обеспечила плотную укладку заполнителя (песком, гравием, щебнем).
Следовательно:
а) механическая прочность бетона (раствора) даже при оптимальных условиях протекания гидролиза и гидратации цемента зависит от степени сближения зерен — плотности их упаковки или степени их раздвижки водой затворения и растет по мере углубления этих процессов;
б) цементный камень можно получить компрессионным приемом с минимальной раздвижкой зерен цемента при В/Ц≤0,08, и процессы гидролиза и гидратации при этом протекают в иных условиях (в поверхностных слоях), что сказывается на стабилизации роста прочности цементного камня в короткие сроки твердения
(примерно 7 сут.);
в) отсутствие систематического постепенного роста прочности при значительно больших значениях В/Ц=0,08 является следствием ряда причин: грубого помола цемента при отсутствии условий для протекания процесса гидролиза и гидратации; неплотной упаковки материалов (цемента, песка, гравия, щебня); присутствия добавок, блокирующих поверхность зерен цемента от действия воды, следовательно, затормаживания твердения, а в ряде случаев полностью исключающего его дальнейшее развитие; использования цемента, в котором процессы гидролиза и гидратации силикатных фаз блокированы коагуляционными структурами, в том числе гидратированного трехкальциевого алюмината; использования высокобелитовых цементов в условиях, не обеспечивающих их длительной гидратации.
Когда зерна цемента, песка, гравия, щебня в уплотненной смеси окружены воздухом (например, в бетонах на жестких смесях или с избытком воды, затем испарившейся), нельзя прогнозировать кинетику прочности и другие технические свойства материала. В этом случае необходимо проводить прямые лабораторные испытания образцов такого бетона (раствора). В ряде случаев сказанное усложняется условиями твердения, при которых на процессы структурообразования цементного камня накладываются коррозионные процессы, вызывающие в нем и деструкцию, что, в частности, связано и с особенностями твердения каждого из минералов цемента.
Следовательно, ухудшение условий гидратации минералов сидикатной фазы, когда прочность ниже предела, связанного с исходной структурой твердеющих минералов, надо отличать от стабильности условий гидратации, когда прочность образцов на минералах промежуточного вещества изменяется вследствие изменения физических условий для структуры новообразований. В частности, многократное разрушение образца из цементного камня на синтетическом минерале С3А практически не снижает его прочности при содержании одного и того же количества воды.
Разброс прочности в показаниях связан с методикой изготовления образцов и, в частности, со сложностью получения материала одной дисперсности при повторных перетираниях кусков уже испытанных образцов цементного камня из С3АН6. Различна также упаковка гидратированного порошка С3АН6, смоченного разным количеством воды.
Сказанное об особенностях многократного упрочнения гидратированного порошка С3АН6 из минерала С3А позволяет выдвинуть положение об его глиноподобных свойствах, которые сильно ухудшают технические свойства цементов. Действительно, при одном и том же значении В/Ц = В/С3АН6 = 0,86 прочность разрушенных и далее перезатворенных образцов различна и связана с влажностью воздуха. Так, образец № 2 при В/С3АН6=,0,86 через 3 сут, в атмосфере насыщенного пара еще не затвердел, а образец № 8 при В/С3АН6 = 0,84 через 3 сут. в тех же условиях упрочнения показал прочности при сжатии 46 и при изгибе 15 кг/см2 (10-1 МПа), т. е. значительно больше, чем перезатворенные образцы № 4 (при В/С3АН6 = 0,8) на 7 сут. упрочнения, показавшие при сжатии 13 И изгибе 11 кг/см2 (10-1 МПа), и образцы № 6 (при В/С3АН6 = 0,76) на 28 сут. упрочнения, имевшие при сжатии 35 и изгибе 21 кг/см2, т. е. показатели прочности, близкие с показателями прочности образцов № 8, твердевших на воздухе 3 сут.
Характерно, что лишь многократное перезатворение сглаживает различие в упрочнении образцов после разрушений и последующих изготовлений. Действительно, к прочности эталона № 11, обладающего прочностью при сжатии 476 и изгибе 80 кг/см2 (10-1 МПа), наиболее близки образцы пятого перезатворения № 15, имеющие при сжатии 300 и изгибе 73 кг/см2 (10-1 МПа), хотя различие в значениях их В/Ц —В/С3АН6 значительно — для эталонных образцов оно равно 0,6, для образцов пятого перезатворения 1,56, систематически увеличиваясь от 0,81 для первого перезатворения до 1,56 для последнего. В данном случае R6=f/(B/C3A), что в скрытом виде отражается при определении прочности бетона на полиминеральных портландцементах и цементах на их основе.
Покажем, как на процесс твердения влияет температурный фактор. Для этого рассмотрим влияние температуры на твердение некоторых минералов цемента. Исследованиями установлено, что при пропаривании образцы, изготовленные на синтетических минералах C3S, гидратируются быстро, на C2S и C4AF — несколько медленнее, а на С3А — не упрочняются. Однако процесс твердения полиминеральных цементов усложняется при пропаривании, когда одновременно с образованием прочных структур из гидратированных соединений возникают и дефекты в них — протекает процесс деструкции, снижающий технические свойства бетона (раствора). Как ВИДНО из этих сведений, характер твердения цемента при условно нормальных температурах (15 и 20° С) повторяется и при высоких температурах (до 100°С). При исследовании процесса гидролиза и гидратации отдельных синтетических минералов при разных температурах в силу особенностей этих процессов в разных условиях, приводящих к образованию различных продуктов, только по степени гидратации цемента (минералов) нельзя делать заключение о прочности технического камня (цементного камня, раствора, бетона) и тем более О его технических свойствах.
В настоящее время формирование структур цементного камня а условиях повышенных температур объясняется по-разному: как при исследованиях гидратационной активности цементов в нормальных температурных условиях и высокой относительной влажности (100%), так и в данном случае, когда анализируются условия гидратации мономинеральных синтетических цементов при пропаривании, всегда будет фиксироваться различие в ее определении из-за неодинаковых петрографических характеристик. Действительно, в заводских полиминеральных цементах поверхность зерен силикатных минералов в большей или меньшей степени и по-разному контактирует с промежуточным веществом. Следовательно, промежуточное вещество в определенной мере замедляет смачивание водой поверхности части зерен минералов C3S и C2S и тормозит процессы их гидролиза и гидратации.
На такое замедление будет также влиять качество поверхности зерен из них — ее гидравлическая активность. Это во многом объясняет различие в прочности цементов, практически имеющих одинаковые минералогические составы и тонкость измельчения. Только после снятия наслоений промежуточного вещества с поверхности зерен алита и белита путем помола до дисперсности, соответствующей сказанному, в полной степени проявится гидравлическая активность последних.
Опыты помола клинкера из зерен различного размера показывают, что от технологии обжига клинкера и других технологических особенностей производства (топлива, исходного сырья, качества его помола и смешивания и др.) зависит минералогический состав и свойства цемента, в данном случае различная прочность.
Характер размалываемости клинкера, изменение его минералогического состава и прочности образцов на таких цементах автор учебника проверил следующим приемом: 1) 5 кг клинкера двух различных заводов размалывали — дробили одними и тем же шарами (крупного размера) в лабораторной мельнице на протяжении одинаковых отрезков времени; 2) полученный при таком дроблении материал рассеивали на три пробы: мелкий, проходящий через сито с отверстиями 0,15 мм и названный отсевом 0,15 мм; средней крупности от 0,15 до 2,5 мм, названный цементным песком; частицы наибольшей крупности 2,5 мм (крупка), подвергающиеся последующему помолу по аналогии с исходным клинкером. Крупка от второго дробления, проводимого по указанной методике, также дифференцировалась на три части.
В итоге помола для каждого клинкера было получено по три пробы отсева — 0,15 мм, три пробы цементного песка — 0,15—2,5 мм и остаток (крупка, не подвергавшаяся последующему измельчению).
Вышесказанное позволило минералогический состав используемых цементов называть «действующим минералогическим составом» в отличие от: 1) расчетного минералогического состава, который рассчитывают на основании химического состава клинкера, позволяющего определять его «валовой» состав, т. е. состав, не дифференцированный по действующей с водой поверхности зерен (состав без учета его распределения, вида и размера минералов в зернах клинкера); 2) петрографического, когда имеется большее приближение минералогического состава к действующему, так как в этом случае под микроскопом определяется минералогический состав поверхности зерен, которые несколько мельче зерен цемента, и дополнительно измельчаются для микроскопического анализа. Анализ приведенных сведений позволяет написать зависимость действующего минералогического состава от его дисперсности, условно выражаемой через показатель удельной поверхности MK—f(s).
Действительно, зная, что твердость минералов, составляющих клинкер, различна и что это обстоятельство скажется на избирательном характере дробления зерен клинкера (в частности, дроблении по местам скопления алюминатной фазы), можно было ожидать отражения этого факта при осуществлении дробного — дифференцированного по этапам помола, позволяющего отбирать цемент по указанным характеристикам. В таком приеме исследования можно проверить и равномерность состава клинкера. Если бы все пробы имели один минералогический состав, который был определен с помощью микроскопа, то качество клинкера следовало бы оценивать с позиций его применения как практически однородного материала.
Характерно, что с уменьшением содержания «недожога» при стабильном количестве минерала C2S тонкость помола клинкера, получающегося в отвесах 0,15 мм, систематически уменьшается. Например, для клинкера № 1 это видно на пробах № 1 и 6 (s = 2580 см2/г — отсев от первого дробления, до s=1800 см2/г — отсев от третьего дробления) и для клинкера № 2, в которых становится меньше «недожога», но больше минерала C2S—стабилизируется уровень дисперсности цементного порошка (пробы № 10 и 14, в которых «недожог» уменьшается с 25—30 до 5—10%, а содержание минерала C2S возрастает с 10 до 25%).
В каждом конкретном случае сказанное об анализе клинкера надо сопровождать анализом структуры аншлифов и термохимическим анализом ДТА продуктов гидролиза и гидратации проб цемента. Приведенные факты позволяют отметить наличие в тонких фракциях цемента в случае размола клинкера со структурой клинкера по типу структуры № 2, малоактивных зерен цемента при одновременном наличии в них значительного количества зерен активного алита. Особое внимание следует обращать на повышенное содержание минерала С3А в тонких фракциях зерен цемента.
Независимо от качества любого из рассмотренных клинкеров ранее сказанное о минералах, покрывающих поверхности зерен алита и белита (минералов силикатной группы C3S и C2S), т. е. о минералах промежуточного вещества —минералах плавней, позволивших снизить температуру спекания СаО и Si02 до уровня применяемых ныне технологических температур (1450—1600° С) в цементных печах, проявляется в наличии больших количеств минерала СзА на поверхности именно мелких зерен цемента. Оно численно приближается к количеству, рассчитанному на основании химических анализов, или к его валовому содержанию.
В мелкой фракции (>40 мкм) в пробах разного цикла дробления содержится от 56 до 86% минерала С3А для клинкера № 1 и соответственно — от 49 до 85% для клинкера № 2. В каждом из этих клинкеров для разных проб различно и количество минерала С3А. Это говорит о неравномерном содержании в промежуточном веществе клинкеров минерала С3А и необходимости учета сказанного, в частности, при назначении дозировки гипса, который регулирует сроки схватывания цемента, разрушает коагуляционные структуры из гидратированного алюмината, повышает сульфатостойкость цементного камня (или обеспечивает его сульфатостойкость) и различные технические свойства бетонов (растворов).
В сульфатостойких цементах по этой причине принято уменьшать содержание минерала С3А до 5%, что обеспечивает связывание большого количества этого минерала в первый период гидролиза и гидратации силикатных минералов, сводя к минимуму деструкцию цементного камня. Сказанное имеет особо важное значение при тепловлажностных режимах твердения цемента. Приведенные сведения не были известны, например, проф. Д. Н. Алексееву, который начал еще в 1911 г. проводить опыты по пропариванию камней для стен из бетона. Следует учесть, что в те годы цементы не имели высококачественной структуры клинкера и температуры пропаривания не превышали 75° С. Автор указанных работ пришел к правильному выводу о том, что продолжительность пропаривания не должна превышать определенных пределов.
Ученые отмечают, что если в камерах пропаривания повышать температуру примерно до 80° С, на поверхности бетонных конструкций в слое конденсированной влаги образуются пузыри, что связано с миграцией воздуха из бетона во внешнюю среду из-за повышения в нем давления. Наибольший выход воздуха, а следовательно, его расширение относится к периоду подъема температуры до перехода процесса пропаривания в стадию изотермического прогрева.
Естественно, при повышении температуры пропариваемого бетона образцы, изделия и конструкции, изготовленные из него, расширяются. В первый период прогрева бетона вследствие влаго- и термовлагопроводности вода мигрирует от периферийных слоев к центру изделия (слою бетона с меньшей температурой). При замораживании бетона вода из внутренних, более теплых зон, мигрирует к периферии образцов — к охлажденной поверхности, что в случае неморозостойких бетонов приводит к началу их разрушения именно с внешних зон.
При выдержке изделий до подъема температуры в камере пропаривания проходят четыре этапа твердения, а при подъеме температуры сразу вслед за формованием бетонной (растворной) смеси — три этапа. Первый этап (при четырехэтапном твердении) — выдержка бетона перед пропариванием в температурных условиях формования смесей. Далее в каждом из двух приемов пропаривания наступает второй этап (после выдержки, продолжительность которой определяется рядом условий, излагаемых ниже, и временем, связанным с операциями по передаче изделий, подвергаемых тепло-влажностной обработке, с поста формования на пост пропаривания, а при прожаривании на месте формования — временем, которое необходимо для организации процесса пропаривания — постепенный разогрев бетона в деталях, изделиях и конструкциях; третий этап — изотермический прогрев; четвертый — постепенное снижение температуры в пропариваемом бетоне.
Рассмотрим каждый из этапов, учитывая сказанное об особенностях гидролиза и гидратации полиминеральных портландцементов и цементов на их основе. Заметим, что в случае применения пластичных бетонных смесей на портландцементах ускорение твердения к моменту окончания пропаривания, как правило, доходит до 0,7—0,8 R28 нормального твердения.
Этап предварительной выдержки бетона перед подъемом температуры в камере пропаривания. Многочисленными опытами показано, что выдержка бетона после изготовления до подъема температуры в камере пропаривания (или температуры изделия, детали, конструкции) повышает технические свойства бетона. Следует рассмотреть причины улучшения процесса твердения цемента при повышенных температурах после предварительного выдерживания бетона (раствора). Для этого используем изложенные ранее факты, связанные с особенностями гидролиза и гидратации полиминеральных цементов в различных условиях внешней среды, а также сопутствующие пропариванию физические процессы.
В любом цементе часть воды, идущей для приготовления цементного теста, растворной и бетонной смесей, остается вне химической связи с цементом. Эта свободная вода, в свою очередь, в различной степени физически связана с твердыми материалами. Естественно предположить, что при нагревании изделий в камерах пропаривания (или при ином способе нагревания изделий) выявятся особенности такого различия физической связи воды с твердым материалом. Как известно, при замешивании цемента с водой в образующемся цементном тесте находится значительное количество воздуха. В зависимости от химико-минералогического и зернового составов цементного порошка, свежести его поверхности, а также температуры внешней среды, в цементном тесте с большей или меньшей скоростью происходит вовлечение воздуха в капилляры, образующиеся при гидролизе и гидратации.
Воздух при нагревании расширяется значительно больше, чем вода и цементный камень (объемное расширение влажного воздуха при температуре от 60 до 80° С составляет примерно (4000—9000)X10-6 м3/м3-°С, что в 8—14 раз выше объемного расширения воды и в 120 раз выше объемного расширения цементного камня). Многочисленными опытами подтверждено, что в сложной многокомпонентной системе цементное тесто — цементный камень — свободная вода — песок — гравий (щебень) — воздух большее термическое расширение системы (материала) связано и с большим содержанием в ней свободной воды, что закономерно, учитывая коэффициенты объемного расширения.
Анализируя приведенные цифры и физико-химический процесс, связанный с образованием капиллярной пористости в цементном камне, можно утверждать, что при прочих равных условиях характер пористости будет зависеть от наличия свободной воды в мате- риале, подъема температуры бетона (раствора), что связано со временем после его изготовления.
При прочих условиях воздух оказывает решающее значение в процессах деструкций при неумелой тепловлажностной обработке материала. Учитывая особенность формирования структуры цемент ного камня на полиминеральных цементах с различной водоудерживающей способностью (различным выделением свободной воды из формирующегося цементного теста) и различным содержанием воздуха, для снижения деформации цементного камня важно в период пропаривания организовать твердение таким образом, чтобы в образующихся капиллярах мог разместиться нагревшийся влажный воздух. Опыты показывают, что для этого необходимо выдерживать изделие или применять цементы, в которых при повышении температуры процесс гидролиза и гидратации обеспечивает резкий рост капиллярной системы, опережающий изменение объема влажного воздуха. Такими цементами, например, являются шлакопортландцементы тонкого помола с высоким содержанием активного гранулированного доменного шлака.
Период подъема температуры. В зависимости от модуля поверхности пропариваемого изделия необходимо назначать скорость подъема температуры в камере пропаривания.
Производственники для увеличения оборачиваемости форм и производительности предприятия стремятся получать от лабораторий рекомендации по наиболее короткому режиму пропаривания, в том числе этапа подъема температуры, изотермического прогрева и охлаждения изделия.
Рассмотрим, в каких пределах времени такое форсирование процесса при существующих составах портландцемента и бетонов не будет влиять на качество работ. При прочих равных условиях (т. е. вида и марки цемента, состава бетонной и растворной смеси, времени предварительной выдержки и температуры, при которой изделие твердело) скорость подъема температуры зависит от массивности изделия. На основании больших сроков эксплуатации предприятий по изготовлению конструкций рекомендуются следующие скорости подъема температуры: для тонкостенных деталей и конструкций (балконных, дорожных и аэродромных плит, блоков тоннельной обделки, пустотелых плит междуэтажных перекрытий, пустотелых камней и т. д.) —2—3 ч, для массивных деталей и конструкций (блоков фундаментов, пролетных строений мостов, колонн и т. д.) —3—4 ч. Следовательно, для пропаривания конструкций, например, при 70° С в первом случае, считая, что температура помещения имеет 15° С, скорость подъема температуры в час составит 55 : 2=27,5 или 55 : 3 = 18° С. Необходимо следить за равномерностью подъема температуры в бетоне.
Следует заметить, что хотя из общего количества цемента, находящегося в образце на указанный период времени, с водой реагирует относительно небольшая его часть, процесс деструкции не изолирован и пронизывает, в основном, все цементное тесто — цементный камень по контакту между новообразованиями и по их контакту с поверхностью зерен песка. Некоторые специалисты считают, что на деструкцию материала в этом случае оказывает большое влияние различие коэффициентов объемного расширения компонентов, составляющих бетон (раствор).
Даже в нормальных температурных условиях через 60 мин с влитом химически связывается 0,8% воды, а к 5 ч — до 2%. Если бы химическое связывание воды не проходило в уплотненном материале, где предопределены условия образования пересыщенных растворов и выпадение в осадок кристаллических соединений, образующих прочные связи в растворах и бетонах, химически связанная пода не предопределяла бы сказанного о невозможности исправления дефектов в образовавшемся материале.
Новообразования из минерала C4AF также создают каркасные связи. Это можно увидеть и из опытов по многократному повторному вибрированию бетонов. Несомненно, содержание в бетонах (растворах) свободной воды, воздуха, виды и марки цемента имеют решающее значение при уточнении сроков подъема температуры изделий. Так же как и при назначении сроков выдержки изделия до пропаривания, следует учитывать, что отрицательную роль особо быстро формирующихся при пропаривании коагуляционных структур гидроалюминатов можно исключить из сферы действия, регулируя тонкость помола цемента и точно дозируя гипс для образования гидросульфоалюмината. Следует также учитывать возможность ускорения подъема температуры пропаривания до надлежащего уровня (до заданного максимума) за счет разогрева смесей. В этом случае весьма целесообразно затворять смеси на воде, нагретой до кипения.
Период изотермического прогрева. Для различных видов и марок портландцемента имеет значение температура, при которой протекает изотермический прогрев. Как правило, бетоны на портландцементе пропаривают при температуре не выше 80° С, а бетоны на шлакопортландцементах тонкого помола с высоким содержанием шлаков (более 60%) —при температуре 100° С или близкой к ней. Если в вопросах назначения сроков первых двух этапов пропаривания мнение большинства исследователей сходится, то по этапу изотермического прогрева нет одинаковых мнений. Продолжительность изотермического прогрева составляет 2—18 ч и более. Сказанное объясняется отсутствием у экспериментаторов надежных исходных сведений, без которых невозможно сравнивать опытные данные (например, нет необходимых широких сведений о составе цемента). Однако на этапе изотермического прогрева происходит не только перерасход пара, но и испарение воды из бетона (раствора).
Существуют и другие режимы пропаривания бетонов (растворов) с различной продолжительностью изотермического прогрева: ступенчатый, без изотермического этапа, с применением повторного вибрирования. В случае исключения этапа изотермического прогрева по принципу нестационарного пропаривания (разогрева и остывания) изделия вода из бетона не испаряется, пропаривание осуществляется в среде с высокой относительной влажностью, так как пар остается насыщенным и остывающие изделия покрыты влагой, конденсирующейся из воздуха. Данный прием пропаривания позволяет экономить топливо. Перечисленные режимы пропаривания можно осуществлять с применением автоматического регулирования процесса по заданной программе.
Рассмотренные этапы пропаривания, как и любые приемы тепловлажностной обработки, должны осуществляться без испарения воды из бетона (при электропрогреве, применении электротермоактивной опалубки, автоклавной обработке и др.)
Изготовление сборных бетонных и железобетонных изделий при тепловлажностной обработке бетонов (растворов) в герметически закрытых термоформах с пригрузом позволяет резко ускорить все этапы процесса. В этом случае не допускается деформирование твердеющего бетона. В последнее время в ряде исследований совершенно правильно обращено внимание на влияние экзотермии цемента при пропаривании бетонов (растворов) на процессы структурообразования цементного камня. Таким образом, при пропаривании особенно важное значение имеет выбор цемента.
Период снижения температуры бетона (раствора) в пропаренных деталях (конструкциях). После пропаривания (или иного приема тепловой обработки) детали (конструкции) в случае изотермического прогрева должны охлаждаться до температуры внешней среды за тот же период, который затрачен на их разогрев. В ряде случаев при сокращенных сроках изотермического прогрева для получения изделий (конструкций) заданной прочности (0,7— 0,8) этот срок охлаждения значительно увеличивается (до 10— 14 ч), что определяется необходимостью охлаждения камер пропаривания (зависит от степени их герметичности).