Характерным для совместного введения в бетон негашеной извести и соля­ной кислоты является выделение тепла при их взаимодействии друг с другом и водой. Количество выделенного тепла можно подсчитать по следующим урав­нениям экзотермических реакций:

1. Гашение извести

CaO + H2O = Ca(OH)2 = 15.5 ккал

Согласно этому уравнению, 1 кг химически чистой извести при гашении ее водой выделяет 276 ккал тепла.

2. Нейтрализация извести соляной кислотой и образование в результате хлористого кальция:

Ca(OH)2 • Ag + 2HCl • Ag = CaCl2 • Ag + 2H2O + 28 ккал

Из этого уравнения следует, что 1 кг извести при нейтрализации ее соля­ной кислотой выделяет 384 ккал тепла.

3. В присутствии образовавшегося в растворе хлористого кальция раство­римость свободной извести увеличивается. Теплота растворения определяется из уравнения:

Ca(OH)2 •Ag = Ca(OH)2 •Ag + 3 ккал

1 кг растворяющейся извести выделяет 40 ккал тепла.

4. Взаимодействие избытков извести с хлористым кальцием высокой кон­центрации может привести к образованию хлорокиси кальция:

3Ca(OH)2 + CaCl2 + N'H2O = 3CaO• CaCl2• 16H2O + 79,5 ккал

Каждый килограмм образующейся хлорокиси выделяет 140 ккал тепла.

Неизбежным следствием перечисленных выше экзотермических реакций является выделение тепла внутри бетона и повышение его температуры. По­мимо этого минералы портландцементного клинкера также выделяют тепло в процессе химической реакции с водой в результате гидролиза и гидратации. Введенные в состав бетона ускорители «подстегивают» это тепловыделение.

Вследствие химического воздействия ускорителей, вовлекающих в реакции большую массу цементного вещества, последний выделяет добавочное количе­ство тепла в начальные сроки гидратации и твердения. Исследованиями установ­лено, что для большинства портландцементов с 30-45 % С^ (трехкальциевого силиката) от веса минералов цемента, при добавке 1 % хлористого кальция тепло­выделение 1 кг цемента за первые сутки увеличивается на 4-7 ккал, т. е. пример­но на 10 % больше, чем в обычных условиях.

Под воздействием ускорителей быстрее протекает гидратация цемента, и благодаря этому интенсивней выделяется тепло в начальные сроки твердения.

Все перечисленные выше экзотермические реакции в совокупности и опре­деляют явление, которое приводит к сильному саморазогреву бетона. В табли­це 6.6.1-1 дано сопоставление количества и скорости выделения тепла различ­ными веществами в бетоне.

Из таблицы видно, как велико количество тепла, выделяемого при реакции взаимодействия извести-кипелки с соляной кислотой и водой. В суммарном исчислении тепла выделяется всего втрое меньше, чем от аналогичного количе­ства сухих дров. Да известью топить можно!

При гидратации 1 кг извести и последующей нейтрализации ее кислотой в течение первых же часов выделяется в 20 с лишним раз больше тепла, чем вы­деляет 1 кг портландцемента марки М400 в течение целых 3 суток.

Следует обязательно отметить, что в первые 6-8 часов сам цемент при обычных условиях схватывания и твердения тепла практически не выделяет. А вот при введении ускорителей именно на этот период приходится максимум тепловыделения. Возникает вопрос, на сколько же градусов может нагреться бетон в результате перечисленных выше экзотермических реакций?

Предположим, что оптимальные дозировки извести-кипелки и соляной кис­лоты находятся в пределах: для кислоты - порядка 1-2 %, для извести - 10-15 % от массы цемента. Расход цемента примем в 200 и 450 кг, объемный вес тяжелого бетона - 2200 кг/м3, а пенобетона - 800 кг/м3, теплоемкость того и другого, для упрощения, примем одинаковой - 0,25 ккал/кг град. Теплоизоляцию будем счи­тать идеальной (тоже для упрощения).

Результаты расчетов на основе приведенных выше термохимических реак­ций между химически чистыми добавками, а также водой и цементом, сведены в таблицу 6.6.1-2.

Приведенные в таблице данные свидетельствуют, что бетон даже без доба­вок способен к саморазогреву под действием тепла, выделяющегося при гидра­тации цемента. Если учесть, что за 30 дней цемент выделит тепла в 2 раза боль­ше, чем за 3 дня, то и его температура за это время должна была бы повысится в два раза. На практике этого не происходит, так как принятое нами допущение об идеальной теплоизоляции практически невозможно.

С введением добавок саморазогрев бетона возрастает более чем в три раза. Известно, что тепло положительно и более эффективно влияет на темпы твер­дения молодого бетона. Поэтому тепло, выделяемое при действии ускорителей в начальные сроки твердения, ценнее тепла, выделяемого цементом в более поздние сроки.

Конечным продуктом взаимодействия извести-кипелки и соляной кислоты внутри бетона является хлористый кальций. Помол комовой извести до тони­ны, когда ее смело можно вводить в состав этой композиции, достаточно хлопо­тен. Еще сложнее обеспечить ее сохранность - она начинает бурно гаситься уже от влажности воздуха. Возникает вопрос, изменится ли саморазогрев бетона, если вводить в него уже готовые гашенную известь и хлористый кальций или гашенную известь и соляную кислоту?

Безусловно, изменится, так как тепло, образующееся в процессе гашения извести кислотой и при образовании хлорокиси не попадает теперь в бетон. (Для заинтересовавшихся этой темой весь процесс взаимодействия извести и кислоты разбит на отдельные этапы (см. выше). При желании можно легко под­считать тепловыделение, убирая отсутствующие реакции.)

Там, где необходим быстрый и сильный саморазогрев бетона и быстрое его твердение, нужно применять известь-кипелку и соляную кислоту, а не хлори­стый кальций.

1. Добавка в бетон только одной молотой негашеной извести в дозировке до 5 % повышает суточную и 28-суточную прочность на 15-25 %.

2. Дальнейшее увеличение количества вводимой извести вызывает пропорци­ональное снижение прочности бетона. Во многом это может быть объяснено тем, что в традиционных помольных агрегатах, шаровых и вибромельницах, невозможно достичь требуемой тонины помола извести - на определенной стадии помола начинаются процессы самоагрегатации, и тонина помола стабилизируется. Если известь-кипелка смолота на высокоэнергетиче­ских мельницах ударного действия типа дезинтегратора или десмбератора, в которых самоагрегатация наступает гораздо позже, дозировку извести в бетоны можно довести до 15-20 % без потери прочности.

3. Добавка в бетон одной соляной кислоты несколько ускоряет его тверде­ние лишь в первое время. Причем с увеличением добавки соляной кис­лоты до 2,5 % наряду с ускорением набора прочности отмечается ее спад в месячном возрасте.

4. Комбинированная добавка извести и соляной кислоты кардинальным образом меняет весь процесс твердения.

А) Добавка 0,83 % кислоты и до 15 % негашеной извести ускоряет тверде­ние бетона в первые же сутки более чем в 3 раза, через трое суток - до 1,5 раз и обеспечивает нарастание прочности бетона в последующие сроки.

Б) Добавка 1,67 % кислоты и до 15 % негашеной извести ускоряет твер­дение бетона в первое время еще более значительно: через 6 часов он приобретает прочность, соответствующую 70-100 % суточной прочно­сти обыкновенного бетона, через сутки - до 350 % прочности обыкно­венного бетона того же возраста и обеспечивает нарастание этого пара­метра в месячном возрасте на 15-20 %.

В) Добавка 2,5 % кислоты и до 15 % негашеной извести ускоряет тверде­ние бетона, особенно резко выраженное в первое время (прочность с этими добавками уже через 6 часов достигает 150 % суточной прочно­сти обыкновенного бетона), и обеспечивает ее нарастание в месячном возрасте на 10-12 %.

Комбинированная добавка негашеной извести и соляной кислоты ускоря­ет твердение бетона в первые часы в среднем в 2-5 раз (через сутки - в 2 раза) эффективней, чем добавка одной соляной кислоты без негашеной извести. Оптимальной следует считать дозировку извести - 10 % и соляной кислоты до 2 % от массы цемента.

Все приведенные выше рассуждения и дозировки справедливы для хими­чески чистых веществ. На практике же этого никогда не бывает. Строительная известь первого сорта содержит максимум 85 % СаО, а второго - порядка 70 % СаО. Эти соображения следует учитывать при отработке конкретной техноло­гии, исходя из местных условий.