Теплота гидратации цемента.

Как и множество химических реакций, реакция гидратации клинкерных минералов имеет экзотермический характер, при этом цемент выделяет до 120 кал/г. Так как теплопроводность бетона сравнительно низка, то внутри массивных бетонных конструкций гидратация приводит к значительному подъему температуры. В то же время наружная часть бетонного массива теряет некоторое количество тепла, так что устанавливается резкий градиент температуры, что при последующем охлаждении внутренней части может привести к образованию трещин.

С другой стороны, тепловыделение при гидратации цемента может препятствовать замерзанию воды в капиллярах свежеуложенного бетона в холодную погоду, поэтому высокое тепловыделение в данном случае является положительным фактором. Ясно, что желательно знать величину тепловыделения различных цементов, чтобы выбрать наиболее подходящий вид цемента для каждого конкретного случая.

Тепловыделением называют количество тепла в калориях на грамм негидратированного цемента, выделяющееся при его полной гидратации при определенной температуре. Наиболее распространенный способ определения тепловыделения заключается в измерении теплоты растворения негидратированного и гидратированного цемента в смеси азотной и фтористоводородной кислот: разница между этими двумя величинами представляет тепловыделение гидратации. Этот метод описан в BS 1370:1947 и аналогичен методу стандарта ASTM С 186—55. Несмотря на то что особых трудностей эти испытания не представляют, необходимо предотвратить карбонизацию негидратированного цемента, так как поглощение 1% СОг приводит к явному снижению тепловыделения на 5,8 кал/г от общего тепловыделения 60—100 кал/г.

Температура, при которой протекает гидратация, сильно влияет на скорость тепловыделения, что показывают данные табл. 1.4.
Строго говоря, суммарное тепловыделение складывается из тепловыделения химической реакции и тепловыделения в результате сорбции воды поверхностью геля, образуемого в процессе гидратации. Теплота сорбции составляет четвертую часть общего тепловыделения.
Для практических целей необходимо знать не общее тепловыделение, а скорость тепловыделения, которую можно легко измерить с помощью адиабатического калориметра. Типичные кривые изменения температуры со временем в адиабатических условиях
Результаты исследований Богга показали, что обычные портландцемента выделяют около половины общего количества теплоты за 1—3 суток, около 3Л—за 7 суток и 83—91% за 6 месяцев. Тепловыделение зависит от химического состава цемента и представляет собой сумму теплот гидратации всех составляющих цемента. Из этого следует, что если известен состав цемента, его тепловыделение может быть определено с высокой степенью точности.
Ниже приведены типичные значения теплоты гидратации чистых клинкерных минералов. Следует отметить, что между тепловыделением и вяжущими свойствами каждого клинкерного минерала зависимости нет.

Вудс, Стейнор и Старк провели испытания ряда заводских цементов, и, используя метод наименьших квадратов, рассчитали участие тепловыделения каждого отдельного клинкерного минерала. Они получили уравнение следующего типа: тепловыделение 1 г цемента равно 136(C3S) + +62 (C2S) +200 (С3А) +30 (C4AF).
Так как в раннем возрасте гидратация отдельных составляющих протекает с различной скоростью, то скорость тепловыделения, так же как и общее количество тепла, зависит от состава цемента. Из этого следует, что снижением процентного содержания наиболее быстро гидратирующихся компонентов (С3А и C3S) скорость тепловыделения бетона в раннем возрасте может быть снижена. Тонкость помола цемента также влияет на скорость тепловыделения при гидратации: увеличение тонкости помола ускоряет реакции гидратации и выделение тепла, однако общее количество выделенного тепла не зависит от тонкости помола цемента.
Влияние С3А и C3S на тепловыделение можно видеть на рис. 1.9 и 1.10. Для многих областей применения бетонов умеренное тепловыделение является положительным фактором и производство соответствующих цементов было организовано. Один из таких цементов — портландцемент с умеренной экзотермией — подробно рассматривается в следующей главе. Скорость тепловыделения этого и других цементов показана на рис. 1.11.
Расход цемента в смеси также будет влиять на общее количество выделяющегося тепла — это может быть использовано для регулирова-ния тепловыделения.