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

Представление о частице коллоидного размера ясно из ее модели (рис. 2.5). Модель изображает частицу си­ ликата кальция в среде гндратированных ионов в ка­ кой-то момент времени и фиксирует расположение ио­ нов, участвующих в общем тепловом движении. В углах решетки силикатной частицы, где экспонированные ионы

кристалла обладают наибольшим потенциалом, в пер­ вую очередь адсорбируются катионы различных ве­ ществ, которые конкурируют с диполями воды, вытесняя их из комплекса. В некотором отдалении от частицы рас­ полагаются свободно движущиеся ионы веществ и ди­ поли воды. Если в среде при насыщении появятся новые гндратированные силикатные ионы, они будут погло­ щаться комплексом частицы и ее кристаллическая осно­ ва будет расти.

30

/ Если бы в массе цементного теста не было воздуха, то каждый промежуток между несколькими зернами це­ мента был бы заполнен водой (см. рис. 2.3) и в ней сво­ бодно могли бы перемещаться ионы гндратпрованных ве­ ществ, образуя единый большой кристалл. Воздух пре­ пятствует образованию единого кристалла, и ионы, выбрасываемые на поверхность «цементный клей — воз­ дух», образуют на этой поверхности большое число цент­ ров кристаллизации. В результате получается очень дисперсная структуралпоказанная на рис. 2.3.//Структура теперь принимает вид разветвленного пространственного каркаса — сростка гндратпрованных алюмннатных и ферроалюминатных соединений, заполненного до отка­ за коллоидной структурой гидросиликатов кальция, вза­ имно соединенных капиллярными контактами коллоид­ ных частиц, в той пли иной степени проросших новооб­ разованиями. Роль капиллярного контакта в прочности и деформативностп цементного камня, раствора и бето-1 на, как это будет пояснено ниже, является решающей.]

Э.Фрейсине назвал цементный камень псевдотвердым

Э. Фрейсине, Геллер и др. изображают цементный камень в виде твердого тела, пронизанного во всех на­ правлениях каналами самых разнообразных диаметров и заполненных или не заполненных водой. На основании общеизвестной теории капиллярности вода в капилляре находится всегда во взаимодействии и в установившем­ ся режиме с содержанием влаги в атмосфере. Когда че­ рез капиллярный мениск нет перехода влаги, капилляр­ ное давление равно:

ся в виде пространственной диаграммы (рис. 2.6).

31

При изменении влажности воздуха часть влаги ухо­ дит из бетона и все капилляры, диаметр которых боль­ ше D , определенные но выражению (2.2), должны вы­ сохнуть. Практически использование изложенной теории представляет большие трудности вследствие полного не­ соответствия структуры цементного камня условной схеме пересекающихся каналов. В качестве более обо­

Рис. 2.6. Зависимость между Пп< D и ф, поз­

воляющая определять капиллярное давление в структуре цементного камня

снованной схемы следует принять схему полидисперсной структуры бетона (см. рис. 2.3 и 2.4), подробно рассмот­

32

между коллоидными частицами без учета слоев воды, прочно за­ крепленных на частицах, в см.

При нарушении равновесия влажности, например при повышении влажности среды, влага переходит из среды в капиллярный контакт, вследствие чего взаимо-

действующие частицы отодвигаются и устанавливаются на расстоянии x'l>xl (см. рис. 2.4). При этом диаметр контакта г2 и кривизна мениска г, меняются на г'2 и г [ , а новое равновесное капиллярное давление П1П становит­ ся меньше Пи (см. рис. 2.9).

Из выражения (2.4) легко получить величину усадки цементного камня при изменении влажности окружаю­ щего образец воздуха ср, в зависимости от характери­ стик цементного камня а и Х\. Принимая, что на 1 см2 приходится п контактов, капиллярное давление на 1 см2 составит K—k\n. Если средний радиусГкапиллярных ча­ стиц в цементном камне составляет г см, то число кон­ тактов будет п=—^— .

Величина усадки цементного камня равна:

После решения уравнения с учетом (2.4) получим:

34

= 0,1 см, получим значение усадки е у с = - ^ . Для цементного камня с £ G = 2 5 0 000 кгс/см2

В процессе гидратационного твердения цементного камня отсос воды в диффузный слой идет непрерывно; так же непрерывно происходит сжатие зерен новообра­ зований, в результате чего значение кривизны поверх­ ности жидкости в порах системы увеличивается.

Возникшее в какой-то момент времени равновесие между влажностью среды и содержанием воды в цемент­ ном камне вскоре вновь нарушается и происходит кон­ денсация влаги в контакте, вследствие чего капилляр­ ное сжатие частиц уменьшается, уменьшается и величи­ на усадки. При непрерывном и неограниченном притоке влаги из воздуха среды происходит полная компенсация усадочного сжатия. Это наблюдается при выдерживании образцов твердеющего бетона в воде, когда вследствие неограниченного ее притока в бетон не только компен­ сируется усадка, но бетон разбухает и увеличиваются размеры пор и каналов системы.

[Если с момента начала схватывания и твердения вла­ га среды меньше влаги бетона, то бетон будет отдавать влагу в среду тем энергичнее, чем крупнее поры новооб­ разований. Произойдет интенсивная усадка, и если сре­ да очень сухая, а диаметр поры велик, то воды окажет­ ся недостаточно для снабжения диффузионного слоя гидратируемых частиц клинкера и твердение бетона.за-

держится. Обнаружится большая усадка, которая явит­

сжатия.!

Бетон при его хранении в обычных условиях после длительного хранения в воде (см. рис. 2.7) дает боль­ шую усадку по сравнению с таким же бетоном, твердею­ щим после изготовления в нормальных воздушных ус­ ловиях. Бетоны по сравнению с чистым цементным кам­ нем дают меньшую по размерам усадку в связи с сопро­ тивлением, оказываемым твердым заполнителем. Одна­ ко размер пор в бетоне н усадка его цементного камня не меньше, и это приводит систему в сильное напряжен­ ное состояние, когда в каждом промежутке между за­ полнителями возникают большие растягивающие напря­ жения, приводящие к появлению в нем микро- и макро­ трещин. Возникновение таких внутренних разрывов ве­ дет к тому, что жидкость, и в частности вода, легко про­ ходит через толщу бетона.

["Капиллярная теория усадки бетона долгое время поддерживалась п разделялась сравнительно малым чис­ лом ученых, и только в последнее время ее действитель­ ный физический смысл осознается все большим количе­ ством специалистов. Очень ценными в этом отношении являются высказывания в 1971 г. А. Е. Шейнина, кото­ рый считает, что начальная усадка при высокой отно­ сительной влажности окружающего воздуха (85—98%) вызывается преимущественно действием капиллярных сил. При меньшей относительной влажности усадка обу­ словливается как капиллярными силами, так и удале­ нием адсорбционно связанной воды из тоберморитового геля цементного камня. А. Е. Шейкин [126] считает очень трудным полностью исключить явление усадки бе­ тона, но полагает, что имеется ряд приемов, позволяю­ щих существенно уменьшить размеры усадки и снизить этим вредные ее последствия^

Последствия усадки цемента наглядно можно наблю­ дать при заделке цементным тестом или раствором фон­ танирующих щелей и трещин. Вследствие усадки либо тело цементного камня (раствора) заделки пересекает новая трещина, либо такая трещина возникает по по­ верхности примыкания раствора заделки и бетона со-, оружения. В этом случае совершенно невидимая на глаз трещина легко обнаруживается при подаче к месту за-

36'

делки воды — она выступает каплями и стекает струй­ ками.

Большие размеры усадки обычного бетона не позво­ ляют с гарантией зачеканнвать швы тюбингов, заделы­ вать стыки труб и гндроизолнровать поверхности. Усад­ ка бетона является отрицательным фактором для всех железобетонных сооружений (гидротехнических, мосто­ вых, дорожных), которые должны быть водонепрони­ цаемы и долговечны, а также для сооружений, работаю­ щих под динамической нагрузкой.

В любых и особенно большеразмерных железобетон­ ных конструкциях усадка бетона вызывает появление в

ской нагрузке, раскрываются усадочные трещины, рас­ тут прогибы и развивается коррозия арматуры. Усадка затрудняет замоноличивание сборных железобетонных конструкций в единую жесткую систему. Совместное действие усадки и изменений температуры приводит к растрескиванию дорожных бетонных покрытий и быст­ рому изнашиванию дорог. Усадка бетона не дает воз­ можности надежно и жестко закреплять машины на фундаментах: даже при очень тщательной подливке ра­ створа под плиту машины и вокруг фундаментных бол­ тов в результате усадки связь машины с фундаментом нарушается и машина быстро выходит из строя вслед­ ствие свободной вибрации.

Заделка трещин в бетонных сооружениях или прида­ ние водонепроницаемости обычным цементом является практически трудно осуществимой задачей, так как не­ минуемая усадка вызывает трещины или отделение ремонтного раствора. Подземные сооружения, предна­ значенные для эксплуатации под давлением, как прави­ ло, защищаются оклеечной изоляцией; однако ее выпол­ нение чрезвычайно затрудняется для фильтрующих по­

прочности бетона, усадка может быть снижена сокраще­ нием расхода цемента в результате перехода к жестким бетонам на более низком В/Ц, легким бетонам на пори­ стых заполнителях, бетонам на хорошо подобранных

3 *

и тщательно промытых заполнителях, бетонам на гидро­ фобных цементах пли на бетонной смеси с поверхност­ но-активными веществами. Полная компенсация усадки или реверсирование ее в расширение полностью достига­ ется применением расширяющихся п напрягающих це­ ментов.'

2.2. ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА ТВЕРДЕНИЯ АЛЮМИНАТОВ И СУЛЬФАТОВ КАЛЬЦИЯ В СРЕДЕ ГИДРООКИСИ КАЛЬЦИЯ

Известно, что алюминаты кальция при затворении

ляется суммой кривых приближений растворимости гек­

составляет большую часть твердых фаз. Это очень хоро­ шо подтверждается микроскопическими и рентгеноско­ пическими исследованиями. Определяя показатели пре­ ломления выпадающей твердой фазы в области между кривыми QRS и TRV в порядке возрастающего молярно­ го отношения С : А в этой фазе от 2 до 4, получаем соот­ ветствующий рост показателя преломления от Л^=1,53 до Ng=\,55.

38

Постепенное нарастание показателя преломления от­

отношении, наблюдается лишь очень тесное и дисперсное

Рис. 2.Ю. Диаграмма растворимости основных веществ тройной системы С—А—Н

Исследование дифракционного отображения системы х-лучами показывает, что двух- и четырехкальциевые гидроалюминаты, имеющие почти одинаковую структуру, могут внутренне кристаллизоваться и давать массу из чередующихся слоев обоих составляющих так хорошо смешанную, что получаемые в итоге средние коэффици­ енты преломления и принимаются за единый коэффи­ циент.

В литературе неоднократно отмечалось, что оба вида гексагональных гидроалюминатов кальция имеют «фа­ мильное сходство» с точки зрения их дифракции. Ди­ фракция х-лучей дает для обоих гидроалюминатов одина-

О

ковое значение толщины суммы слоев, равное 8,8 А, что лишь подтверждает общность их структуры., Двухкаль-

39