книги из ГПНТБ / Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции

Однако объясняется все очень просто. Показанное на графике поведение образцов является функцией приня­ той методики наблюдения расширения: 24 ч образцы

500

Рис. 2.42. Величины расширения — усадки растворов на расширяю­ щемся цементе СзА(С5)3 в различных условиях начального выдер­ живания

находятся в формах, замеры начинаются после распа­ лубки, затем образцы хранятся 2—4 суток в воде и пос­ ле этого на воздухе при 50%-ной влажности. Если сок­ ратить время распалубки и удлинить срок хранения в

90

воде, кривые изменят свое положение. В данном режиме

трисульфата и соответствующее расширение структуры произошло, когда образец находился в форме и расши­ рение не обнаружено замерами. Если бы распалубка образца,была сделана через 6 ч, то кривая на рис. 2.41 была бы расположена значительно выше.

Всоставе б зерна очень крупные (63% зерен 250 мк), процесс образования трисульфата кальция идет медлен­ но и прерывается при переносе образцов на воздух, как только начинается испарение воды. Естественным след­ ствием этого является малая величина расширения и последующая ощутимая усадка.

Вкакой степени условия выдерживания образцов расширяющегося цемента сказываются на величине сво­ бодного расширения, видно из графика (рис. 2.42), по­ строенного по опытам X. Мугурума [142], при исполь­ зовании расширяющегося цемента с содержанием 13%

8 непрерывного водного хранения. Обращается внима­ ние на то, что свободное расширение дает неполную ха­ рактеристику бетона на расширяющемся цементе.

Сопоставление японского расширяющегося цемента и американского К-цемента показывает их сходство, так как оба цемента основываются на использовании спе­ циально обжигаемого клинкера сульфоалюмината каль­ ция. Однако свойства их различны вследствие различно­ го состава: американский цемент содержит портландце­ мент и C3 A3 CS+6CS+8_C (85% + 15%), а японский — портландцемент и C 4 A [ C S ] 3 ( 8 7 + 1 3 % ) - Оба цемента ос­ нованы на быстром образовании трисульфата, так как

91

имеют высокое насыщение гипсом ^ - ^ - . = 4 и 3J и рас­ сматриваются как расширяющиеся цементы, в основном компенсирующие усадку бетона.

Б. НАПРЯГАЮЩИЕ ЦЕМЕНТЫ

2.4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛУЧЕНИЯ НЦ

/-Напрягающими цементами называются такие рас­ ширяющиеся цементы, которые обладают большой хими­ ческой энергией расширения и способны без разрушения или ослабления бетона железобетонной конструкции при затвердевании интенсивно расширяться и самонапря­ гать железобетон, т.е. натягивать арматуру и обжимать бетон без нарушения сцепления между ними, не вызы­ вая ни временного, ни постоянного снижения прочности бетона. Обязательным условием самонапряжения желе­ зобетона является такая его интенсивность, чтобы после всех потерь самонапряжения от усадки и ползучести бе­ тона еще оставалось преднапряжеиие, способное без трещин воспринимать внешние нагрузки и температур­ ные перепады определенной интенсивности. Следова­ тельно, напрягающие цементы должны не только свобод­ но расширяться, но и оказывать существенное давление при наличии препятствия, например в виде арматуры или примыкающих друг к другу конструкций, в швах. Кроме того, расширение должно происходить либо в уже достаточно окрепшем бетоне без снижения его прочнос­ ти в процессе большой деформации, либо в твердеющем бетоне с синхронно увеличивающимся расширением и отвердеванием (увеличением прочности).

Единственным найденным до сего времени вещест­ вом, способным при своем образовании сильно и энер­ гично расширяться, является гидросульфоалюминат кальция высокосульфатной структуры СзА(СЗ)3 Н3 1.

Все описанные выше расширяющиеся цементы ис­ пользуют это вещество для получения расширения. По­ этому, казалось бы, их можно было превратить в на­ прягающие, использовав расширяющий .компонент в большем количестве. Однако увеличение в этих цемен­ тах дозы расширяющего компонента немедленно приво-

92

дит к спаду прочности или полному разрушению бетона. Так, добавка расширяющего компонента в К-цемент вы­ ше 20% приводит к ослаблению и разрушению бетона. Для японских цементов увеличение ее сверх 15% окан­ чивается разрушением. В советском РЦ эта добавка не должна превышать 20%, так как это ведет к катастро­ фическому спаду прочности п растрескиванию. Анало­ гичные явления наблюдаются и в отношении других расширяющихся цементов. Очевидно, простое увеличение количества исходных материалов, расширяющего компо­ нента совершенно недостаточно для создания напрягаю­ щего цемента. _ _

Анализ всех особенностей достаточно подробно опи­ санной ранее четверной системы С—А—CS—Н позволя­ ет рассмотреть ее с новых позиций.

Нам уже известно, что в зависимости от соотношения компонентов четверной системы и технологии обработки бетона в качестве результативного продукта реакции гидратации может быть получен гидросульфоалюминат кальция с различным содержанием гидратной воды

C3ACSH12, C3ACSH18 и С3 А(С5)зНз1, и, возможно, еще не выявлены точно формы, содержащие мало кристалли­ зационной воды C3ACSa<7, наподобие твердого раствора. Такой раствор был обнаружен Д. Калоусеком [118] в продуктах гидратации портландцемента и гипса, назван­ ного им фазой «отсутствующего гипса». Известно также, что одни формы гидросульфоалюмината кальция могут переходить в другие и обратно. Устойчивость существо­ вания в цементном камне той или иной фазы гидросуль­ фоалюмината кальция в значительной степени зависит от того, в какой среде идут реакции—С, А или CS. Име­ ет значение также, какие из этих веществ поступают из гидратирующегося портландцемента и как они влияют на среду.

Исследованием многих ученых, и особенно Д. Калоусека, установлено, что трисульфат при насыщении сре­ ды сульфатом кальция может быть единственно устой­ чивой фазой в цементном камне при нормальной темпе­ ратуре (см. рис. 2.13), при 55° С количество его уже не­ значительно, при температуре выше 80° С он исчезает. Наоборот, при нормальной температуре нет моносуль­ фата, но при температуре выше 80° С гидросульфоалю­ минат кальция представлен моносульфатом.

93

Для образования трисульфата необходима 31 моле­ кула воды, для образования моносульфата—12 молекул воды. В связи с этим при затвореиип цемента малым количеством воды ее, как правило, не хватает для обра­ зования гидросульфоалюмината кальция и воду прихо­ дится подавать извне. Отсюда ясно, что без дополнитель­ ной подачи воды образование гидросульфоалюмината кальция высокосульфатной формы в полном размере за­ трудняется.

То, что при воздушно-сухом хранении не образуется трисульфат, видно из табл. 2.4. В крайнем случае может образоваться моносульфат (см. табл. 2.5), который впоследствии не сохраняется и разлагается иагипсигидроалюмпнат кальция. При этом нет расширения, и на­ блюдается большая усадка. Однако при добавлении воды образуется трисульфат и наблюдаются все объем­ ные процессы расширения, причем, чем позднее добав­ лена вода, тем меньше деформация. Это очень четко выражено на графике (см. рис. 2.42), полученном японски­ ми исследователями, которые образцы раствора на рас­ ширяющемся цементе, затворенные даже на значитель­ ном количестве воды ( 5 / Д = 0 , 6 ) , после распалубки вы­ держивали до момента увлажнения 0, 2, -4, 8, 15 и 65 суток. Соответствующие 65 суткам расширения были 4,7; 4,4; 1,4; 0,8; 0,4 и 0,7% (усадка). Усадка образца 2 была аналогичной усадке образца портландцементного рас­ твора. По-видимому, при недостатке влаги в расширяю­ щемся цементе образование гидросульфоалюмината кальция задерживается, идет более медленно п в боль­ шинстве случаев или не доходит до конца, или не проис­ ходит вовсе.

Существенным для химических процессов образова­ ния гидросульфоалюминатов кальция является присут­ ствие в расширяющем компоненте свободной извести, в частности извести-кипелки. Такая известь гидратируется очень быстро: достаточно нескольких часов, чтобы гид­ ратация закончилась (см. рис. 2.14—2.17). Когда свобод­ ная известь включена в состав расширяющего компо­ нента, то, гидратируясь, она быстро понижает количест­ во свободной воды в цементном камне, снижая быстроту образования гидросульфоалюмината кальция и насыще­ ние его водой.

94

пряженных конструкций. В продолжение всего времени расширения и самонапряження железобетона сцепление арматуры с бетоном не должно нарушаться. Однако оно всегда наблюдается при нарушении структурной целост­ ности напрягающего бетона большой активности, когда расширяющийся бетон начинает обтекать арматуру. Та­ кое ослабление расширяющегося бетона нельзя допус­ кать.

Сказанное позволяет в определенной последователь­

Подбирая химический состав системы С—А—CS—Н, вид исходных веществ и назначая температурный режим процесса, можно направить развитие гидратации по же­ лаемому руслу и получить в заданный отрезок времени необходимые нам количество и виды новообразований. Обычно вначале рассматривается взаимодействие ве­ ществ, входящих в состав расширяющего компонента, и не учитываются вещества, поставляемые твердеющим портландцементом, впоследствии учитывается влияние и этих веществ.

Состав НЦ и технологический процесс самонапряже­ ния могут быть запроектированы и осуществлены по не­ скольким схемам. Первая из них возникла в начале пя­ тидесятых годов после открытия способа тепловлажностной обработки растворов и бетонов на НЦ [24, 57]. Идея достижения достаточного для практики уровня самона­ пряжения заключается в выборе такого состава системы С—А—CS—Н и в таком соотношении к портландцемен­ ту, которое после затвердевания при погружении образ­ ца цемента в воду при нормальной температуре быстро приводит его к полному разрушению. Это объясняется высокой энергией, выделяемой при образовании гидросульфоалюмината кальция цемента. Такой цемент, под­ вергнутый при 100° С в течение 2 ч тепловлажностной обработке в возрасте 12—18 ч, может быть помещен в воду, в которой он твердеет и расширяется, производя самонапряжение железобетона без разрушений и без спадов прочности. Расширение и самонапряжение завер­ шается за 5—7 суток, после чего цемент продолжает твердеть и набирать высокую прочность; иногда через 6 мес.—1 год эта прочность вдвое превышает 28-суточ- ную.

95

Состав ЫЦ для этой схемы самонапряжения должен характеризоваться соотношениями C : A : C S = ( 0 , 5 — 2 ) : : 1 : (0,5—2). Схема преобразования веществ цемента представлена на графике (рис. 2.43). В верхней части

Рис. 2.43. Кинетика растворения исходных материалов напрягающего цемента и возникновения новых фаз при гидратации на малом количестве воды затворения в процессе ТВО и последующего водного выдерживания

графика показано во времени исчезновение исходных ве­ ществ цемента, а также появление, исчезновение и новое возрождение новых фаз гидратированных веществ це­ ментного камня; на нижней части' графика дано соответ­ ствующее этим явлениям увеличение расширения, проч­ ности и самонапряжеиия.

96

Исходные материалы — алюминаты кальция, сульфат кальция и окись кальция. В процессе затворенпя на ма­ лом количестве воды эти материалы, взятые в указанном выше соотношении, быстро гидратируются. В первую

и, возможно, трисульфата кальция (см. рис. 2.43). При погружении в горячую воду для ТВО исчезает трисуль­ фат кальция, и процесс сводится к образованию моно­ сульфата кальция. После 2 ч в составе новообразований содержится моносульфат кальция и СН; также много негидратированного СА. Расширение и самонапряжение к этому моменту самое небольшое. С погружением це­ мента в холодную воду начинается бурный процесс об­ разования трисульфата и перекристаллизации моносуль­ фата в трисульфат кальция, который продолжается в те­ чение 7—8 суток. Когда СН полностью прореагирует, среда может стать насыщенной гидроокисью алюминия, которая вскоре вновь заменяется средой гидроокиси кальция, поставляемой гидратируемым портландцемен­ том. В период водного хранения прочность растет и про­

цемента. Характерным для ТВО является не только от­ сутствие спада прочности, но положительный ее прирост. Прочность непрерывно растет — и после стабилизации расширения и после 28 суток твердения. В зрелом воз­ расте в структуре цементного камня содержатся только трисульфат, гидроалюминаты кальция и продукты гид­

Идея применения ТВО заключается в основном в от­ делении фазы затвердевания НЦ от фазы расширения в процессе образования трисульфата алюмината каль­ ция. Совершенно необходимо, чтобы расширение проис-

ходило при уже достаточной прочности цементного кам­ ня, но в таком его состоянии, когда он способен без спа­ да прочности следовать за расширением структуры. До­ стигается это указанными выше средствами: принятием состава расширяющего компонента, богатого алюмина­ тами, присадкой извести, ТВО при 100° С и затворением смеси на минимально допустимом для удобоукладываемости количестве воды. Огромную роль для устранения спада прочности цемента при его быстром расширении играет сжатие цементного камня в одном, двух и трех направлениях усилием в несколько десятков атмосфер, которое создают упругие силы сопротивления арматуры расширению. Для очень активных напрягающих цемен­ тов одноосное сопротивление расширению уже недоста­ точно и требуется двух- и трехосное армирование с соз­ данием объемного сопротивления.

Разделение фаз затвердевания и расширения может быть достигнуто только в том случае, если вещества, входящие в расширяющий компонент НЦ, могут быстро вступать в химическое взаимодействие друг с другом че­ рез растворение или в твердой фазе. Это особенно каса­ ется гипса, который должен вводиться в НЦ в чистом

C 4 A H 1 3 + C S + C ; гнпсоглиноземистый цемент+С; глиноземистый цемент-f-CS+C; другие составы, описанные ниже.

Значения прочности, удлинения, водопоглощения и самонапряжения раствора НЦ (1:1) состава 6 6 : 2 0 : 1 4 (портландцемент: глиноземистый цемент : гипс) при про­ греве в воде с температурой 100° С в течение 6 ч показа­ ны на ри.с. 2.44. В течение 6 ч прогрева прочность образ­ цов повысилась с 160 до 268, а для деформируемых в связанном состоянии — до 310 кгс/см2. Удлинение и водопоглощение были невелики—0,2 и 0,5%. Самонапря­ жение составило 16 кгс/см2; в возрасте 7 суток оно дос­ тигло 40 кгс/см2 и стабилизировалось. Свободное рас­ ширение к этому сроку также стабилизировалось на уровне 2,3%. Водопоглощение достигло в возрасте 6 ме­ сяцев 6,7%. Если в 28-суточном возрасте прочность об­ разцов составляла 430 кгс/см2, то к 6-месячному возрас-

98

ту она повысилась для образцов свободного расшире­ ния до 614 кгс/см2, а для образцов связанного расшире­ ния — до 740 кгс/см2, причем наблюдается тенденция к дальнейшему упрочнению. Последнее является характер­ ным свойством напрягающих цементов, подтверждаю­ щим высокую надежность их структуры в бетоне.

Рис. 2.44. Прочность, водопоглощение, удлинение и самонапряжение раствора НЦ

Учитывая, что в глиноземистом цементе содержалось 66% алюминатов кальция, а гипс содержал 82% CS, со­ став компонента соответствовал С : A : CS = 0,55 : 1 :1,82. Такой состав должен был давать при гидратации на ог­ раниченном количестве воды как моносульфаты, так и трисульфаты. Однако при прогреве до 100° С в течение 6 ч все высокосульфатные формы гидросульфоалюмината кальция должны были перейти в моносульфат каль­ ция, который после охлаждения цементного камня в во­ де должен был перекристаллизовываться обратно в трисульфат с соответствующим расширением системы. Это проявилось в удлинении за 7 суток до 2,3%.

• Можно было бы предполагать, что наибольшее рас­