книги из ГПНТБ / Ашрабов, А. Б

теплопроводность и т. д., представляется возможность регулировать эти свойства путем выбора состава бетона и методов его обработки. Во-вторых, путем анализа на­ пряженно-деформируемого состояния бетона выявляется степень возможности использования с известным прибли­ жением существующих теорий прочности материалов, объясняющих механизм разрушения структуры бетона и позволяющих проектировать конструкции с наибольшей несущей способностью.

В результате взаимодействия портландцемента и це­ ментов, получаемых и а основе его клинкера, с водой об­

феррита кальция 4CaO-Fe2 03 -nH2 0. Они выделяются в виде коллоидных гелеобразных масс, со временем посте­ пенно принимающих кристаллическую структуру.

Скорость проявления и величина кристаллических новообразований зависит от степени пересыщенности це­ ментного раствора. Таким образом, твердение цементно­ го теста обусловливается уплотнением геля вследствие высыхания и отсоса воды внутрь цементных зерен и образованием кристаллов, пронизывающих гель и сра­ стающихся между собой в твердый кристаллический сросток. Так как в составе клинкера содержится до 70— 80% силикатов, то они и определяют основные свойства цементов.

В химии (минеральных веществ приняты сокращенные обозначения различных соединений; окись кальция обыч­ но обозначают через С, окись алюминия — через А, дву­ окись кремния Si0 2 — через S, окисел железа Fe203— че­

моферрит C4AF и двухкальциевый силикат-белит C2 S. В зависимости от количественного соотношения этих мине­ ралов цементы твердеют с различной скоростью. По дан­ ным Колоузека, C3S гидратируется в C2 SH(B), а гидра­ тация C2S приводит к образованию гидросиликата C2 SH2 , являющегося основной фазой цементного камня и извест­ ного в литературе как гель, с примесью тоберморитоподобных гидросиликатов кальция серии CSH(B). Все гид-

10

ратированные соединения в системе СаО — Si0 2 — Н 2 0 имеют свои кристаллографические данные и относятся в основном к волокнистой (форма: волокна или иглы) или неволокнистой (форма: чешуйки, призмы, пластинки) группам. При гидратации С3 А и C4 AF процесс взаимодей­ ствия между водой и минералами происходит с интен­ сивным выделением большого количества тепла. Наибо­ лее быстротвердеющим и способствующим получению высокой прочности является минерал С3 А, полная гидра­ тация которого протекает в период от 5 до 24 часов с мо­ мента затворения. В результате взаимодействия С3А и C4AF с водой образуются: шестиводный кубический гид­ роалюминат кальция ЗСаО • А12 0з - 6Н 2 0, кубический гидроалюминат кальция и гель однокальциевого феррита СаО • Fe2 03 • Н 2 0 . Однако твердение цементного теста нельзя рассматривать как простую сумму процессов твер­ дения составных его минералов, так как существенную роль играет их взаимодействие. Например, при гидрата­ ции СзА ускоряется взаимодействие C3S с водой.

Для получения теста нормальной густоты различные цементы требуют различного количества воды для за­ творения. При этом количество прореагировавшей хими­ чески связанной воды для различных цементов тоже раз­ лично. По Б. Г. Скрамтаеву это количество считается для портландцемента равным 16%. Бетон не обладает совер­ шенной плотностью даже при тщательном уплотнении смеси, так как количество воды для ее уплотнения (из технологических соображений удобоукладываемости) всегда берется с избытком сверх необходимого уровня, требуемого для гидратации цемента. При твердении из­ быточная вода, частично испаряясь, ведет к образованию

о

микропор и капилляров размером от 20А до 10—20 мк. Кроме того, в структуре цементного камня долгое время сохраняются непрогидратированные обломки цементного клинкера в количестве 30—40%.

Общий объем пор и капилляров в затвердевшем це­ ментном камне достигает в среднем до 40 % от общего объ­ ема цементного камня. При этом они могут быть заполне­ ны водой, паровоздушной смесью или воздухом в зависи­ мости от их радиуса, степени замкнутости и влажностного состояния бетона. По данным исследований Н. А. Мощанского, поверхность раздела твердой и жидкой фаз в процессе твердения изменяется в пределах от 500 до

11

1000 м2/м3. Явления кристаллизации цементного камня, сопровождаемые контракционными объемными сокраще­ ниями, изменяют напряженное состояние бетона во вре­ мени и существенно влияют на его прочность и деформативность. Структурное взаимодействие частиц, характер разрушения и процесс деформирования цементного камня под нагрузкой определяется степенью жесткости и проч­ ности структурных связей, обладающих свойствами, при­ сущими вязким упруго-пластичным телам. Эти связи про­ являются в процессе гидратации наружных слоев цемент­ ных зерен, играющих роль микрозаполнителя в цементном камне вследствие отсоса воды из геля. При этом проис­ ходит образование реакционных каемок, связывающих отдельные цементные зерна в монолитную структуру. При длительном твердении по мере увеличения жесткости це­ ментной оболочки зерен .и структурных связей упру­ гость системы возрастает, а пластические свойства сни­ жаются.

Таким образом, в зависимости от структурных особен­ ностей бетон претерпевает целую гамму промежуточных состояний, свойства которых изменяются от вязкопластичных до упругохрупких.

Влияние заполнителей на свойства бетона. В качестве мелкого заполнителя для бетона применяется природный или искусственный песок, поставляемый в виде двух фрак­ ций — крупной (размером зерен 5—0,63 мм) и мелкой (0,63—0,14 мм). Содержание в нем глинистых, илистых и нылеватых частиц не должно превышать 3% по весу, в про­ тивном случае их повышенное количество ведет к увели­ чению водопотребности бетона и снижению его прочности до 25% вследствие обволакивания зерен песка глиной и нарушения его сцепления с цементным камнем. Учиты­ вая, что песок состоит из зерен различной крупности, очень важно, чтобы объем пустот в нем был минималь­ ным, при этом потребуется меньше цементного клея для получения качественного бетона.

Цементное тесто в бетонной смеси обволакивает зерна

движку. Удельная поверхность составляет для фракции 2,5—5 мм около 10 см2/г, а для мелких фракций песка — от 100 до 300 см21г. Критерием оценки крупности песка

12

служит безразмерная величина модуля крупности Мк, которая должна находиться в пределах 2—3,3.

Величина объемного (насыпного) веса песка зависит от его пустотности, влажности и степени уплотнения. Ре­ комендуемые стандартами зерновые составы обеспечива­ ют наибольший объемный вес песка, т. е. его наимень­ шую пустотность. Так, например, объемный насыпной вес

няется гравий различной степени окатанности и щебень, полученный дроблением горных пород. Гранулометриче­ ский состав крупного заполнителя определяется по раз­

Для правильной укладки бетонной смеси не рекомендуется применять гравий или щебень крупнее 1Ц части мини ­ мального размера сечения конструкции, а также исполь­ зовать крупный заполнитель, размеры которого больше наименьшего расстояния между арматурой железобетон­ ной конструкции. В тонкостенных плитах и панелях наи­ большая крупность заполнителя может доходить до поло­ вины толщины элемента. При этом зерен пластинчатой (лещадной) или игловатой формы во избежание ухуд­ шения удобоукладываемости бетона допускается не более 15% по весу. *

Основное требование к заполнителю—это его доста­ точная прочность и сцепление с цементным камнем. Прочность при сжатии в насыщенном водой состоянии согласно ГОСТ должна превышать прочность бетона не менее чем в 1,5 раза, если марка бетона ниже 300, и не менее чем в 2 раза при марке 300 и выше. Допускается применять щебень пониженной прочности, но не ниже прочности бетона и при соответствующем испытании в бе­ тоне и технико-экономическом обосновании. Ряд исследо­ ваний показал, что прочность бетона часто зависит не столько от прочности самого заполнителя, сколько от ад­ гезионных и когезионных свойств зоны контакта. При не­ достаточном сцеплении цементного камня с поверхностью заполнителя прочность последнего не используется в нуж­ ной степени.

В этом случае заполнитель как бы уподобляется пу­ стотам, ослабляя сечение элемента.

13

При обеспеченной прочности заполнителя, помимо его формы, значительное влияние ка сцепление оказывает чистота его поверхности, так как загрязненность глини­ стыми примесями ухудшает сцепление. Заполнители с развитой шероховатой поверхностью лучше соединяются с цементным камнем в прочный конгломерат, чем запол­ нители с гладкой поверхностью. Положительное влияние на сцепление оказывает пористость зерен заполнителя. Благодаря эффекту «самовакуумировапия», при котором такой заполнитель является возбудителем интенсивных капиллярных явлений, происходит отсос воды из окру­ жающей среды внутрь зерна, что приводит к уплотнению цементного камня и соответственно повышает его проч­ ность. Кроме того, капиллярные силы, развивающиеся при впитывании пористым заполнителем воды, способст­ вуют проникновению цементного теста в открытые поры, т. е. имеет место как бы срастание цементного камня с заполнителем.

При изучении природы сцепления следует различать механический, геометрический и химический аспекты взаимодействия цементного камня с заполнителем. Ме­ ханическое сцепление происходит при зацеплении мелки­ ми кристаллами неровностей на поверхности заполнителя цементного камня.

Геометрическое сцепление вызывается изоморфной кристаллизацией веществ, с близкими параметрами кри­ сталлической решетки, при которой кристаллы гидратированного цемента являются продолжением кристаллов вещества заполнителей. Сцепление такого типа встреча­ ется редко и характерно для известковых заполнителей. Сцепление третьего типа начинается первоначально со смачивания жидкой фазой геля поверхности заполните-' лей, обусловленного адгезионными силами сцепления Ван-дер-Ваальса, и дополняется более значительными силами химической связи, появившимися в результате поверхностных химических реакций между продуктами гидратации цемента и веществом заполнителя. При этом контактная зона из новообразований толщиной до 0,5 мм отличается повышенной плотностью и прочностью.

Среди многих факторов, влияющих на прочность кон­ тактной зоны, и, следовательно, определяющих долговеч­ ность бетона, следует отметить свойства усадки или рас­ ширения цементного камня и способность бетона проти-

14

востоять многократно изменяющимся температурным воз­ действиям.

В процессе, усадки в цементном камне развиваются растягивающие напряжения, а в заполнителе — сжимаю­ щие; при расширении — наоборот. При медленном нара­ стании усадочных деформаций или расширения, эти на­ пряжения вследствие ползучести цементного камня релаксируют и, медленно затухая, не приносят значительного вреда. Однако при интенсивном нарастании усадки эти напряжения могут достигнуть предела прочности цемент­ ного камня па растяжение и вызвать появление микро­ трещин, что приводит к снижению прочности и плотности бетона. Аналогичные напряжения возникают и при дейст­ вии температур вследствие разных коэффициентов тем­ пературного расширения, которые для цементного камня, в интервале обычных эксплуатационных температур из­ меняются от 1 0 Х 1 0 - 6 до 18ХЮ~6 г р а д - 1 , а для заполни­ теля несколько ниже.

15

ядра. (Здесь знаки «плюс» или «минус» ставятся соответ­ ственно при растяжении или сжатии).

Таким образом, важным условием необходимой проч­ ности бетона является минимальное изменение объема цементного камня при его твердении, а также соответст­ вие значений его коэффициента температурного линейно­ го расширения с аналогичными значениями для запол­ нителя.

Из сказанного следует, что структурообразование це­ ментного камня происходит по-разному в его объеме и на границе с заполнителем. Теоретические представления о разрушении структуры бетона под действием внешних нагрузок базируются на закономерностях, учитывающих свойства всех компонентов структуры бетона, какими являются заполнители, гелевые и кристаллические обра­ зования с наличием пор, капилляров и других микроде­ фектов, а также жидких фаз в различных состояниях.

Вследствие своей неоднородности и анизотропности бетон под нагрузкой испытывает сложное напряженнодеформированное состояние. В местах, имеющих поры и другие пустоты, а также в районе более жестких частиц, обладающих более высокими модулями упругости, про­ исходит местная концентрация напряжений, из-за чего по плоскостям соединения частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между ними. Кроме того, известно, что в теле с отверстием, подвергающемся сжа­ тию, наблюдается концентрация не только сжимающих, но и растягивающих напряжений, возникающих по пло­ щадкам, параллельным сжимающей силе.

Аналогичное явление происходит и в бетоне. На поле напряжений, возникшее от внешней нагрузки, наклады­ вается вторичное поле силовых возмущений, вызванных неоднородностью структуры. Растягивающие напряжения накладываются друг на друга соответственно количеству и расположению пор и пустот, поэтому возникшее поле напряжений не поддается теоретическому подсчету и

16

подчиняется только осредненным статистическим законов мерностям. Разрушение сжимаемого образца начинается с образования микроскопических трещин и микроразры­ вов в поперечном направлении. Образование этих трещи­ нок повышает неоднородность поля напряжений и прида­ ет ему в известной мере ориентированный характер.

При таком изменении напряженного состояния микро­ трещины местами раскрываются, а местами зажимаются, причем вдавливаемые друг в друга частицы оказывают расклинивающее действие. Это приводит к дальнейшему нарушению структуры бетона, что при сжатии сопровож­ дается кажущимся увеличением объема образца. При увеличенной нагрузке происходит рост и объединение микротрещин, приводящее к разделению ранее монолит­ ного сечения бетонного образца на отдельные призмы неправильной формы, которые начинают разрушаться от потери устойчивости и одновременного изгиба, сжатия и среза под действием касательных напряжений, действую­ щих в сечении.

Усадка и набухание бетона. Важной особенностью деформаций бетона является его объемное сокращение или расширение при твердении. Ввиду отсутствия гигрометрического равновесия с окружающей средой влажный капиллярно-пористый бетон высыхает, уменьшая свой объем, при твердении на воздухе (усадка бетона) или увеличивается в объеме при твердении в воде (набуха­ ние бетона).

Усадка бетона связана с удалением влаги, которая классифицируется по интенсивности энергии связи воды в бетоне.

Усадочные деформации начинают проявляться уже после испарения воды из микропор и мелких капилляров. Однако из ряда экспериментальных данных следует, что капиллярная составляющая усадки, связанная с потерей свободной воды, не велика и носит второстепенный ха­ рактер. Основную долю деформаций усадки составляют объемные изменения гелевой структурной составляющей цементного камня, обусловленные изменением при высы­ хании содержания в геле связанной силами адсорбции воды. Процесс высыхания идет следующим образом. Вна­ чале удаляется вода субмикрокристаллических ячеек ге­ ля и полимолекулярно адсорбированных слоев, а затем вода, адсорбированная в виде мoнoмoлeк^лдpJШXcлoeв.

Удаление структурно-связанной и адсорбированной воды сопровождается значительным сжатием цементного камня. Вышеуказанные явления в сумме составляют влажностную усадку бетона.

Контракционная составляющая усадки носит физикохимический характер и связана с уменьшением объема «цемент — вода» при возникновении новообразований в процессе схватывания и начального периода твердения бетона, имеющих объем меньший, чем объем исходных продуктов. Контракционный эффект также связан с про­ цессом адсорбции воды поверхностью цементных зерен и кристаллов новообразований, при котором происходит уплотнение воды в тонких адсорбционных слоях, а следо­ вательно, и сжатие всей системы.

С обжатием скелета цементного камня, происходящим под действием капиллярных сил и испарения межкри­ сталлической воды, поверхности кристаллов, зазоров и трещин сближаются, что способствует возникновению сил межмолекулярного взаимодействия между поверхностя­ ми твердых частиц. Это взаимодействие вначале ослабле­ но из-за экранирующего действия тонких прослоек жид­ кости между поверхностями частиц. При удалении этих прослоек в результате испарения влаги межмолекуляр­ ные силы взаимодействия между поверхностями твердых частиц постепенно достигают наибольшей величины.

Под действием этих сил скелет цементного камня удерживается в сжатом, деформированном в результате усадки состоянии. Наконец, вследствие уменьшения объ­ ема затвердевшего цементного камня в бетоне, при раз­ ложении находящихся в напряженном состоянии кри­ сталлов гидроокиси кальция, в результате их химического взаимодействия с углекислым газом, содержащимся в воздухе, имеет место карбонизационная усадка. Она по­ является при наличии напряженного состояния кристал­ лов гидроокиси кальция, которое неизбежно возникает в бетоне под влиянием влажностной усадки и внешней пагрузки. Некоторая часть усадочных деформаций связана с потерей избыточной воды на гидратацию еще не про­ реагировавших частиц цемента.

Рассмотренная выше схема усадки цементного камня, конечно, существенно упрощена. В действительности, осо­ бенно в бетоне, этот процесс протекает значительно слож­ нее. Многочисленные исследования, проведенные такими

18

показывают, что удаление влаги из бетона происходит по вполне четкому закону: вначале удаляется вода, об­ ладающая наименьшей энергией связи, а затем остальные виды воды с очередностью по возрастающей интенсивно­ сти этой энергии.

Качественный характер протекания усадки во времени отражается кривой, подчиняющейся экспоненциальным зависимостям и приближающейся ассимптотически к оп­ ределенному пределу.

Экспериментальными исследованиями установлено, что усадка зависит от многих технологических и физиче­ ских факторов, а также среды, в которой находится бетон. К этим факторам относятся количество, вид и минерало­

Свободной усадке цементного камня в начальный пе­ риод твердения бетона препятствует заполнитель, причем сдерживающее влияние зависит от его упругих свойств: оно тем сильнее, чем выше его модуль упругости. Кроме того, пористость заполнителя влияет на уменьшение или увеличение влажностных деформаций бетона (табл. 1.2,3).

Обращает на себя внимание сравнительно малая усад­ ка бетона на гранитном и известковом щебне по сравне­ нию с бетоном на гравии и песчанике.

19