Вопросы тепловой обработки бетона подробно изложены в фундаментальных трудах С. А. Миронова, Л. А. Малининой и др. [97]. Этим вопросам был посвящен ряд конференций, в том числе симпозиумы РИЛЕМ.
Опытные данные и теоретические положении показывают, что рекомендуемые поверхностно-активные добавки улучшают ряд свойств бетонов, подвергаемых тепловой обработке, однако иногда требуется применять замедленные режимы обработки. Если после пропаривания надо получить особо плотные водонепроницаемые изделия, то иногда необходимо выдерживать бетон с добавкой до пропаривания в течение более длительного срока (4 ч и более) и применить постепенный, мягкий, режим подъема температуры в камерах. В некоторых случаях прочность бетона с ПАВ непосредственно после пропаривания оказывается на 10—15% меньше, чем прочность обычного бетона. Это обстоятельство имеет подчиненное значение, когда ставится задача улучшения свойств бетона в отношении действия воды и мороза. Например, исследовано влияние на морозостойкость пропаренных бетонов добавок окисленного петролатума и омыленных кубовых остатков СЖК. 300 циклов замораживания и оттаивании практически не снизили прочности бетонов с ПАВ, но в этих бетонах отмечался недобор начальной прочности на 15% по сравнению с бетонами без добавок.
Совместно с Ю. С. Шиловым проведены опыты по изучению влияния различной по времени предварительной выдержки на прочность пропаренных тяжелых и легких бетонов с добавками ПАИ. В ряде случаев при различных режимах тепловой обработки прочность образцов бетона с добавками была равна прочности бетона без ПАВ. Влияние добавки на прочность пропаренных бетонов зависит от специфики процессов, протекающих в них при тепловой обработке. При пропаривании в бетоне одновременно протекают два противоречивых процесса: конструктивный, обусловленный образованием и упрочнением структуры твердеющего бетона, и деструктивный, вызываемый воздействием на бетон изменяющихся во времени температур. Подъем температуры в камере и связанный с ним разогрев бетона происходит за счет теплопроводности материала, конвекции паровоздушной среды и конденсации пара на поверхности изделия. Так как в этот период бетон имеет температуру, более низкую, чем среда, то в нем возникает движение влаги но направлению теплового потока — от периферии к центру. В это время изделие поглощает некоторое количество воды, образующейся на его поверхности в результате конденсации пара, что является благоприятным с точки зрения условий для более полного протекания химических реакций гидратации и твердения цемента. С другой стороны, в этот период происходят основные физические изменения и нарушения к структуре твердеющего бетона.
При подъеме температуры в изделии возникают различные напряжения, причинами которых являются, с одной стороны, различные коэффициенты температурного расширения отдельных составляющих бетона, с другой — внутренние избыточные давления, развивающиеся в порах и капиллярах цементного камня вследствие теплового расширения поды, воздуха и паровоздушной смеси. Внутренние давления, возникающие в порах материалов вследствие миграции влаги и теплового расширения защемленного воздуха, могут достигать больших значений и являться причиной нарушений в структуре бетона на ранних стадиях твердения.
В начале изотермического прогрева температура в центре изделия еще ниже температуры в камере, и разница тем значительнее, чем больше толщина изделия. Но истечении определенного времени температура но сечению выравнивается. Период изотермического прогрева характеризуется относительно спокойным твердением бетона и упрочнением бетонного камня. Возникающие в это время внутренние напряжения незначительны и связаны с объемными изменениями бетона в результате контракции и с нарушением температурного равновесия вследствие экзотермии цемента. По различным данным, разница между температурой изделия и температурой в камере в зависимости от вида цемента и состава бетона может достигать 2—15°С. Наличие температурного градиента, направленного от центра к периферии, вызывает также потерю влаги. На этой стадии необратимо фиксируются дефекты, которые приобрел бетон в период нагрева.
В период охлаждения в изделии вновь появляются температурные градиенты. Однако теперь уже внутренние слон бетона имеют большую температуру, чем наружные. Стремление к сжатию наружных слоев встречает сопротивление со стороны ядра. В случае, если распределение температур по сечению изделия отличается от линейного, в бетоне также возникают напряжения: наружные слон оказываются растянутыми, а ядро — сжатым. Значение этих напряжений зависит от толщины изделия, скорости изменения температуры, деформативных характеристик материала и его теплопроводности. Суммируясь с усадочными напряжениями, которые к этому времени достигают относительно больших значений, напряжения в результате перепада температур могут вызвать образование трещин.
Наличие температурного градиента, направленного от центра к поверхности изделия, способствует тому, что бетон теряет часть влаги. Имеются данные, согласно которым потеря влаги на стадии охлаждения изделия составляет 20—40% общего количества воды затворения. Испаряясь, пода оставляет на своем пути каналы, которые идут во все стороны от центра изделия к периферии. Образование в цементном камне направленной пористости в значительной мере ухудшает свойства бетона, повышает его водо- и газопроницаемость, снижает долговечность изделия. Из сказанного прежде всего следует, что сокращение количества поды, введенной в бетонную смесь при затворении, что достигается применением ПАВ, должно содействовать уменьшению деструктивных процессов при тепловой обработке изделий.
Положительное действие ПАВ проявляется и в затруднении процессов миграции влаги, причем это характерно как при подъеме температуры в камере, так и при ее снижении. В обоих случаях градиент влажности уменьшается вследствие частичной гидрофобизации открытой поверхности изделия. Немаловажное значение при этом имеет и однородность материала, что является следствием лучшей удобоукладываемости бетонов с добавками ПАВ. Важность этого фактора для процессов тепловлажностной обработки часто недооценивают. Между тем компактное, сближенное расположение зерен цемента и заполнителей, уменьшение сечения пор и капилляров, образование трудноиспаряющихся топких слоев воды вокруг частиц — все это существенно ослабляет миграционные процессы внутри материала. Гидрофобизации наружной поверхности бетона дает в данном случае и побочный положительный эффект, заключающийся в том, что образующаяся на поверхности пленка конденсата как бы смягчает действие окружающей среды и снижает тем самым перепад температур между этой средой и бетоном.
Изучение внутренней диффузии при тепловой обработке цементных материалов трудно осуществить, так как здесь возникают привходящие явления, вызываемые быстро протекающими физико-химическими превращениями в системе, поэтому мы ограничились определением влажности материала на разных этапах тепловой обработки (подъем температуры и охлаждение). Для этого из исследуемых образцов путем высверливания на разной глубине брали пробы и затем определяли их влажность. Было установлено, что у образцов с добавками разброс значений влажности по сечению был несколько меньшим, чем у контрольных без добавок.
Приведенными объяснениями, разумеется, не исчерпывается вся сложность явлений, лежащих в основе действия рассматриваемых нами поверхностно-активных добавок на механизм структурообразования бетонов при пропаривании; тем не менее, полученные результаты показывают, что определенные гидрофобизующие добавки весьма эффективны и материалах, подвергаемых тепловлажностной обработке, не только с точки зрении улучшении их свойств в отношении действия воды, но и в смысле влиянии на прочность при данном режиме пропаривания.