Экзотермия бетона является энергетическим выражением процессов гидратации цемента. Все факторы, определяющие интенсивность процессов гидратации, в той или иной мере сказываются на значении и кинетике экзотермического эффекта [31]. Кинетика тепловыделения цемента с добавкой С-3 при различных температурах выдерживания изучена В. А. Бабаевым [2]. С помощью термоосного калориметра им установлено, что добавка СП в течение первых 10 мин несколько увеличивает экзотермию цемента. Объяснение этому дается с позиций повышения теплоты смачивания цемента в результате адсорбции лиофильных макромолекул добавки, образующих полярные радикалы на поверхности цементных частиц. В последующий период твердения кривые удельного тепловыделения имеют небольшой наклон к оси времени, что свидетельствует о наличии индукционного периода. При дозировке добавки С-3 до 0,5% массы цемента индукционный период практически не изменился и составил 5 ч. Увеличение содержания добавки до 1% привело к увеличению индукционного периода с 5 до 9 ч, что В. А. Бабаев объясняет значительным равновесным содержанием добавки в жидкой фазе при дозировке больше предельной адсорбционной способности цемента. Сокращение расхода воды позволило уменьшить индукционный период на 1,5 ч. Для составов с добавкой 0,5% С-3 общее количество выделившегося тепла оказалось несколько больше, чем у состава без добавки.
В наших исследованиях экзотермия бетона определялась в адиабатическом калориметре конструкции ВНИИГ [58]. Отсчеты температур в течение первых 3 сут производили через каждый 1 ч, а в последующие 4 сут — через каждые 12 ч. Тепловыделение литых бетонов изучали на низко- и среднеалюминатных цементах при В/Ц=0,40; 0,70. Составы бетонных смесей приведены в табл. 16. Дополнительно тепловыделение бетонов находили при В=190 л и указанных выше В/Ц без добавки СП. Результаты опытов показаны на рис. 34.
Анализ полученных данных позволяет утверждать, что введение 0,5% С-З практически не сказывается ни на скорости, ни на абсолютном значении экзотермического эффекта при неизменных параметрах состава бетонной смеси. Снижение расхода цемента как без добавки СП, так и при его введении приводит при В/Ц=const к уменьшению тепловыделения. Экзотермический эффект возрастает также с увеличением В/Ц и алюминатности цемента.
При практически неизменных факторах состава введение в композиции с С-З замедлителей схватывания цемента ощутимо изменяет характер тепловыделения, существенно замедляя его в начальные сроки. На рис. 34 представлены значения удельного тепловыделения цемента исследуемых литых бетонов с добавками ПФМ. Удельное тепловыделение определяли по формуле
где Q — общий экзотермический эффект, кДж/м3; Ц — расход цемента, кг/м3.
Замедляющие агенты снижают экзотермический эффект на 20...30% к возрасту 3 и 7 сут. При этом наибольшее снижение экзотермии характерно для ПФМ с сахаросодержащими замедлителями.
Введение ПФМ с замедляющими агентами в бетоны на высокоалюминатном цементе приближает их по уровню экзотермического эффекта к бетонам на низкоалюминатном цементе. Увеличение В/Ц без добавки и с добавками ПФМ более существенное в бетонах на высокоалюминатном цементе.
Для эффективного регулирования температурного режима твердения массивного бетона, кроме общего количества тепла, имеет значение также скорость его выделения.
Если у бетонов без добавок ПФМ и с добавкой С-3 скорость выделения тепла достигает максимума через 12 ч, то при введении ПФМ возрастание скорости завершается к 24...48 ч твердения Абсолютное значение скорости тепловыделения при этом оказывается существенно ниже, чем в бетонах без добавок.
С тепловыделением связано обеспечение монолитности массивных бетонных сооружений, в которых трещинообразование носит чаще всего термический характер. Для оценки трещиностойкости бетона как материала рекомендован критерий термической трещиностойкости [58]
где εпред — предельная растяжимость бетона; с — удельная теплоемкость бетона, кДж/(кг·К); ρ0 — средняя плотность бетона, кг/м3; Q — тепловыделение бетона, кДж/м3; αт — коэффициент линейного температурного расширения бетона.
Возможность появления трещин в бетоне тем меньше, чем выше Кт. Известно, что для тяжелого гидротехнического бетона значения с, ρ0, αт изменяются в довольно узких пределах, и для расчетов можно пользоваться усредненными значениями этих величин. Приняв для бетона с=0,966 кДж/(кг·К), ρ0=2400 кг/м3 и αт=10-5 К-1 найдем
Как показано в [40], с предельной растяжимостью бетона, определенной непосредственным измерением εпред, весьма близко совпадает условная растяжимость εу, рассчитываемая как отношение прочности бетона при раскалывании к динамическому модулю упругости. Расчетные значения условной растяжимости литых бетонов с добавками ПФМ приведены в табл. 23.
Значения критерия Кт для литых бетонов без добавок и с добавками ПФМ приведены в табл. 25 (среднеалюминатный цемент).
Из табл. 25 видно, что коэффициент термической трещиностойкости в литых бетонах с добавками ПФМ, содержащими замедлители схватывания, существенно выше, чем в бетонах без добавок и с добавками одного СП.
Критерий Kт является безразмерной величиной, которую физически можно трактовать как наибольшее возможное относительное удлинение бетона, наблюдаемое в результате тепловыделения.
В целом трещиностойкость бетона — комплексное свойство, определяемое не только деформациями от термического расширения, но и рядом других параметров, в частности ползучестью, а также изменением упругопластичных характеристик бетона с изменением температуры.
В опытах А. А. Гвоздева [14] при помощи создания напряжений в больших образцах ставилась задача получить видимые разрывы в бетоне в условиях, исключающих усадку. Несмотря на то что были созданы значительные температурные градиенты по сечению, которым соответствовали напряжения, значительно превосходящие временное сопротивление разрыву, ни в одном из опытов видимых трещин не было обнаружено. Это свидетельствует о том, что наряду с накоплением значительных термических напряжений в бетоне одновременно происходит образование большого количества микротрещин, препятствующих развитию сквозных трещин по всему сечению [58]. Последнее подтверждает необходимость принимать во внимание пластические деформации в значении предельной растяжимости, учтенной в критерии Кт. Во ВНИИГ установлен критерий трещиностойкости массивного бетона [58], вычисляемый по формуле
где Е — модуль упругости бетона к данному возрасту; Кз — коэффициент запаса (для строительного периода Кз=1,2, для эксплуатационного периода Кз=1,4...2).
Более высокие значения произведения εуЕ для литых бетонов, содержащих ПФМ, наряду с большими значениями Кт свидетельствуют об их более высокой трещиностойкости с позиций этого критерия.
В [15, 18] трещиностойкость бетона связывается с отношением предела прочности при растяжении или условной предельной растяжимости к значению усадочных деформаций. Некоторые из этих критериев, полный анализ которых выполнен в [18], приведены в табл. 26, а расчетные их значения для бетонов возраста 28 сут — в табл. 27.
Таким образом, всесторонний анализ критериев, учитывающий возможность трещинообразования под действием напряжений, развиваемых в бетоне в результате термических, механических и усадочных деформаций, показывает более высокую стойкость бетонов с добавками ПФМ по сравнению с литыми бетонами без добавок.