книги из ГПНТБ / Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона

Полное напряжение в теле Кельвина (а) будет склады­ ваться из напряжений в упругом и вязком элементах

a= E-e-f Ti­de

d t

если о = Const = сто, то

de __dt

<*о— Е е - ■'l

Интегрируя в пределах времени от 0 до t, получим

Это уравнение свидетельствует о том, что при действии на бетон постоянной нагрузки происходит эластическая дефор­

мация, которая стремится к значению -g*-.

В теле Максвелла общая скорость деформации равна сумме скоростей деформации упругого и вязкого элементов

Из уравнения видно, что при неизменной деформации на­ пряжения в теле падают по экспоненциальному закону. Это свойство упруго-вязкой среды носит название, релаксации напряжений.

Время t = -g~, в течение которого напряжения падают в е

раз, носит название' времени релаксации.

Аналогично можно доказать, что при неизменном напря­ жении в упруго-вязкой среде по экспоненциальному закону будет происходить развитие деформаций во времени. Это свойство получило название плавучести, или крипа.

Нетрудно заметить, что и ползучесть, и релаксация напря­ жений представляют собой две стороны одного явления, вы-

званного вязким течением среды, что может -быть выражено графиком (рис. 49).

Явление ползучести бетона еще мало исследовано. Некото­ рые ученые объясняют ползучесть перераспределением ка­ пиллярной и адсорбционно-связанной воды в цементном кам­ не под влиянием длительной нагрузки и вызываемыми этим деформациями усадки и набухания геля.

под длительным действием нагрузки происходит вязкое тече­ ние гелевой составляющей цементного камня с перераспреде­ лением напряжений на кристаллическую фазу, что вызывает развитие в ней микротрещин; внешним проявлением этих про­ цессов и являются деформации ползучести. Как следует из приведенного выше уравнения ползучести и графика (рис. 49), она наиболее интенсивно развивается в первые сроки после нагружения бетона, затухая со временем по экспоненциаль­ ному закону.

В зависимости от величины приложенной нагрузки дефор­ мации стабилизируются во времени или же развиваются и мо­ гут вызвать разрушение бетона.

132

При длительных нагрузках, величина которых вызываег напряжения менее 50—60% предела прочности бетона при сжатии, развитие деформации ползучести носит линейный ха­ рактер без видимого нарушения микроструктуры бетона. При увеличении нагрузки наблюдается значительное увеличение деформаций ползучести и развитие микротрещин, а при зна­ чении напряжений, равном 0,8—0,9 предела прочности бетона, он может постепенно разрушиться.

Затухание ползучести во времени связано с увеличением вязкости гелевой составляющей цементного камня, ее уплот­ нением, развитием кристаллических образований и перерас­ пределением напряжений на них.

Величина ползучести возрастает с увеличением количества цементного камня в бетоне, при повышенном содержании гелевидной составляющей в цементном камне, повышенных значениях водоцементного отношения, работе затвердевшего бетона в водонасыщенном состоянии.

Ползучесть уменьшается у бетонов после тепловлажностной и особенно после автоклавной обработки. Влияние этих факторов на структуру бетона было объяснено при рассмот­ рении усадки бетона.

Усадка и ползучесть бетона имеют много общего, как свойства, присущие в основном гелевидной части цементного камня. И усадка, и ползучесть наиболее интенсивно проявля­ ются в первые три-четыре месяца и постепенно затухают, почти прекращаясь к полутора-двум годам твердения бетона. Однако усадка происходит как самопроизвольная объемная деформация, а ползучесть — как линейная деформация под действием внешних сил.

Ползучесть бетона имеет большое практическое значение для работы конструкций. В массивном бетоне она снижает напряжения от усадки и температурных градиентов, в желе­ зобетонных конструкциях уменьшает напряжения в бетоне и передает их на арматуру, но в то же время увеличивает про­ гиб изгибаемых элементов, в напряженно-армированных конструкциях вследствие ползучести могут происходить значи­ тельные потери предварительного напряжения арматуры.

Ползучесть бетона обычно выражается величиной «харак­ теристика ползучести» <р, представляющей собой отношение полной деформации ползучести к упругой деформации при действующем напряжении а :

133

.Характеристика линейной ползучести <р для тяжелого бе­ тона имеет значения от 1,7 до 6,2, в среднем около 3.

При расчетах железобетонных конструкций учитывают

влияние ползучести, вводя значение С =-^-,называемое мерой

ползучести. Мера ползучести представляет собой относитель­ ную деформацию ползучести под напряжением 1 кГ/см2 за время t.

IX. УСКОРЕНИЕ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА

В нормальных термовлажностных условиях бетон дости­ гает марочной прочности через 28 суток твердения.

Современное индустриальное строительство требует уско­ ренного набора прочности при твердении бетона, особенно при производстве сборного железобетона в заводских усло­ виях. Сокращение времени набора отпускной прочности же­ лезобетонных изделий необходимо для большей оборачивае­ мости форм, более эффективного использования оборудова­ ния и повышения производительности предприятий.

Интенсифицировать процессы твердения бетона можно применением некоторых технологических приемов, ускоряю­ щих гидратацию и гидролиз клинкерных минералов.

Методы ускорения твердения бетона могут быть разбиты на три группы: ускорение твердения при естественной темпе­ ратуре среды, тепловая обработка бетона и комбинирован­ ные методы (табл. 20).

134

Ускорение твердения бетона в естественных условиях без тепловой

обработки

При низких водоцеме.нтных отношениях в цементном тесте быстро создается перенасыщение водной среды продуктами гидратации и гидролиза 'Минералов цемента, что вызывает ускоренный рост прочности. Особенно эффективно нарастание прочности в хорошо уплотненных жестких смесях с низкими В/Ц, где вое процессы проходят в тонких пленках теста.

Значительно интенсифицируются процессы твердения в цементе более тонкого помола вследствие возрастания реак­ ционной поверхности его частиц. Особенно эффективенмок­ рый домол цемента в вибромельницах до удельной поверх­ ности 5000—5500 см2!г. Измельчение цемента до удельной поверхности больше 5500 см2/г требует больших энергозатрат, а эффект ускорения твердения снижается из-за резкого воз­ растания водопотребности бетонной смеси. Мокрый домол цемента в вибромельницах обеспечивает равномерное смачи­ вание новых поверхностей тонкими пленками воды, частичную гидратацию зерен и сдирание новообразований с их поверх­ ности. Таким образом, в процессе мокрого помола происходит пластификация теста и- вскрытие минералогического состава клинкера с выводом значительной части алюминатов из со­ става цемента. Нагрев при помоле способствует кристалли­ зации алюминатов и необратимому разрушению их коагуля­ ционных структур. Цемент становится как бы менее алюминатным. При использовании цементов, мокрого домола улуч­ шается удобоукладынаемость смеси и прочность бетона вы­ ше, чем бетонов на цементах сухого домола.

Применение указанных мер позволяет получить прочность бетона в суточном возрасте, равную 40—90% марочной.

Усредненные данные исследований о влиянии перечислен­ ных факторов на ускорение твердения бетона, обобщенные в работах С. А. Миронова и В. И. Сорокера с сотрудниками, приведены в табл. 21.

Твердение цементного теста можно ускорить, применяя химические добавки, интенсифицирующие гидратацию клин­ керных минералов и кристаллизацию их новообразований.

В этом направлении в различных странах проводятся мно­ гочисленные исследования, предложено большое количество патентованных добавок, в основном хлоридов и сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов.

135

Исходя из хмеханизма действия добавок — ускорителей твердения бетона, В. Б. Ратинов разбивает их на три класса.

Добавки первого класса — вещества, не вступающие в реакцию с вяжущими; их действие заключается в изменении ионной силы раствора, а следовательно, и в изменении рас­ творимости вяжущего. Кинетика твердения вяжущих — про­ цесс, включающий стадии растворения и кристалли­ зации новообразований; добавки этого класса преимущест­ венно воздействуют на одну из этих стадий. Добавки, не име­ ющие одноименных с вяжущим ионов, такие, как NaC!, NaN03, КС1 и др., повышают растворимость* соединений вя­ жущего. Добавки, содержащие одноименные’ с вяжущими ионы,— C a 0 2, Ca(N0 3)2 и др., ускоряют скорость кристалли­ зации новообразований.

Добавки второго класса — вещества, реагирующие с вя­ жущим с образованием труднорастворимых или малодиссоциирующих соединений, сдвигающие реакции гидролиза и гидратации вяжущих вправо. Добавки этого класса по их действию также могут быть разбиты на группы. Одни из них уменьшают щелочность среды (кислоты и гидролизирующие­ ся соли сильной кислоты и слабого основания — HQ, NH4CI,

136

РеС1з и др.), другие вступают в реакцию с гидроокисью каль­ ция (Кг'СОз, NaF) либо с алюминатами и ферритами (CaSO.(, NaN02) с образованием труднорастворимых соединений.

К третьему классу добавок относятся кристаллические затравки — тонкомолотые вещества, имеющие крнсталлохимическое средство с новообразованиями вяжущего. Их при­ менение эффективно в том случае, когда лимитирующей ста­ дией процесса твердения вяжущего является кристаллизация.

В нашей стране нашли практическое применение -добавки СаС12, CaS04, Ca(N 0a) 2-[KAl(S04)2], NaCl, Na2S 0 4 и некото­ рые другие. Наиболее эффективен хлористый кальций. Вве­ денный в воду з.атворения, он взаимодействует с Са(ОН) 2 и С3А и дает малорастворимые при высоких концентрациях гидрооксихлориды кальция 2 СаО-СаСЬ-Ю Н20 и гидрохлоралюминаты ЗСа0-А120 3-СаС12-10 Н20 , что углубляет гидра­ тацию C3S иалюминатных минералов С3А, C4AF, способствует обезвоживанию и коагуляции геля. Введение хлористого кальция в бетонные смеси позволяет уже в суточном возрасте получать распалубочные прочности изделий.. Однако при вза­ имодействии хлористого кальция с портландцементом умень­ шается pH раствора, что приводит к коррозии арматуры. Поэтому нашими нормами регламентируется предельное ко­ личество добавки хлористого кальция в 1—2 % от веса це­ мента.

Согласно данным некоторых исследований корродирующее действие хлористого кальция может быть значительно умень­ шено при введении с хлористым кальцием такого же коли­ чества нитрита натрия. При этом из раствора уводятся хлорионы и остаются нитрит-ионы, не вызывающие коррозии.

В цементах с повышенным содержанием алюмината или более тонкого помола целесообразно применение сульфатных добавок, которые ускоряют твердение за счет дополнительно­ го насыщения продуктов гидратации гидросульфоалюминатами кальция.

Данные об эффективности применения некоторых химиче­ ских добавок для ускорения твердения бетона приведены в табл. 22 (по С. А. Миронову).

Некоторые авторы рекомендуют вводить в бетонную смесь 1—2% кристаллических затравок из тонкомолотых гидрати­ рованных цементов, которые создают зародыши для кристал­ лизации новообразований. По данным И. Ямбора,-введение затравок позволяет увеличить на 77% прочность бетонных образцов суточного твердения. Однако многие исследователи

137"

не получили положительного эффекта от введения затравок. Этот вопрос из-за очевидного избирательного действия доба­ вок подлежит дополнительной разработке.

Одни и те же добавки могут дать разный эффект с различны­ ми цементами и в различных бетонных смесях. Поэтому при применении 'даже рекомендованных химических добавок обя­ зательно их апробирование в бетонах.

В 1955 г. наша цементная промышленность начала выпуск быстротвердеющих цементов (БТЦ), имеющих при испыта­ нии по действовавшему ГООТ 310-41 прочность на сжатие через сутки твердения 200 кГ/см2 и через трое суток

300 кГ/см2.

Для получения быстротвердеющих цементов применяют сырьевые смеси с большим коэффициентом насыщения, обжиг смеси ведут при повышенных температурах, добиваясь повы­ шенного содержания в клинкере алита оптимальной микро­ структуры.

С 1961 г. организован выпуск особобыстротвердеющих (ОБТЦ) и высокопрочных цементов. Прочность образцов из этих цементов при испытании по ГОСТ 310-60 достигает че­ рез сутки 300 кГ/см2, через трое суток 450 кГ/см2 и через 23 суток твердения 600 кГ/см2.

С 1965 г. в строительстве применяются предложенные А. В. Волженским с сотрудниками гипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ), состоящие из смеси полуводного гип­

138

са, портландцемента и активных минеральных добавок. Эти вяжущие имеют скорость твердения гипса и устойчивость портландцемента. Бетоны на ГЦПВ с использованием высо­ копрочного гипса достигают прочности ,на сжатие через три часа 160 кГ/см12, а через семь суток 300 кГ/см2. При дальней­ ших исследованиях были предложены гипсошлакоцементные вяжущие (ГШЦВ), в которых пуццолановые добавки эффек­ тивно заменялись молотыми, гранулированными доменными шлаками. Изделия с применением ГЦПВ и ГШЦВ отличают­ ся повышенной сульфатостойкостью и удовлетворительной морозостойкостью, хотя требуют защиты арматуры в бетоне специальными покрытиями.

Дальнейшее развитие производства быстротвердеющих и высокопрочных вяжущих, возможно, позволит отказаться от распространенной в настоящее время громоздкой тепловой обработки бетона.

Тепловая обработка бетона

При повышении температуры в цементном тесте ускоря­ ются процессы гидролиза и гидратации клинкерных минера­ лов, структурообразования, кристаллизации и перекристалли­ зации новообразований, что находится в качественном соот­ ветствии с правилом Вант-Гоффа1.

-Химизм процессов твердения цемента и состав новообра­ зований при повышенных температурах в основном те же, что и при естественном твердении. С повышением температуры твердения наблюдается только тенденция к некоторому повы­ шению основности гидросиликатов кальция. Однако экзотер­ мические процессы гидратации цементных минералов при тепловой обработке пройдут менее полно, чем в естествен­ ных условиях, что соответствует принципу Ле-Шателье2.

Затвердевший после тепловой обработки цементный ка­ мень имеет меньшее количество новообразований и в то же время большую закристаллизованность их, нежели цемент­ ный камень естественного твердения. Цементный камень, полученный после тепловой обработки, может быть уподоблен цементному камню, твердевшему длительное время (около

1 Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10° уско­ ряет течение химических реакций в 2—4 раза.

2 В соответствии с принципом Ле-Шателье повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону .эндотермических, а понижение— в сторону экзотермических реакций.

139