2026

Глава 5. ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ В СТРУКТУРЕ ЦЕМЕНТНОГО КОМПОЗИТА

5.1. Экспериментальная оценка гипотезы обжатия пористого заполнителя

Исходя из представления об усадке, бетон обычно рассматривают как двухфазную систему, полагая, что заполнители в процессе формирования структуры бетона не меняют своих свойств и не подвержены усадке. На основании опытов, легкий бетон, в частности, на искусственных пористых заполнителях, с точки зрения усадки, по-видимому, можно рассматривать как биактивную систему, так как с физической точки зрения данные заполнители активно влияют на характер усадки бетона и формирование его структуры и прочности.

Такой подход к легкому бетону, в отличие от обычного на плотных заполнителях, обусловлен тем, что пористые заполнители не оказывают существенного торможения влажностной усадки цементного камня за счет эффекта обжатия. В этой связи формирующаяся структура цементного камня, с точки зрения структурных напряжений, будет существенно отличаться в бетонах на плотных и пористых заполнителях.

Вэтой связи с учетом современных теоретических представлений о структурообразовании цементного камня и бетона и сопоставлении бетонов на плотных и пористых заполнителях М.З. Симонов [1] отмечает, что,

сточки зрения разнообразия явлений, происходящих в легком бетоне, тяжелый бетон следует рассматривать как частный случай легкого бетона.

Комохов П.Г. [2] считает, что свойства и особенности структуры легкого бетона в современном научно-техническом развитии становятся более универсальными и перспективными. Такой же точки зрения придерживается и И.А. Иванов [3].

Ахвердов И.Н. [4] отмечает, что в качестве идеальной модели должен быть принят бетон на пористом заполнителе ноздреватой структуры (типа аглопорита). Другими словами, такой легкий бетон является основным представителем (общим случаем) всех видов бетонов, и бетон на плотных заполнителях должен рассматриваться как его разновидность.

Вэтой связи в наших исследованиях по изучению собственных деформаций основной акцент был сделан на структуре легких бетонов на искусственных пористых заполнителях.

Особенностью структурообразования легкого бетона в отличие от тяжелого является то, что структура легкого бетона формируется в условиях взаимодействия двух пористых систем: пористого заполнителя и цементного камня как пористого тела, что, с одной стороны, обуславливает процесс миграции влаги в капиллярно-пористой системе и влажностные деформативные особенности пористого заполнителя, а, с другой стороны –

221

более широкий круг явлений формирования собственных деформаций и напряжений в структуре легкого бетона.

Одной из первых работ, в которой отмечался факт всестороннего обжатия пористого заполнителя и влияния собственных напряжений от усадки бетона на прочность элемента, подвергающегося действию осевых сил, была работа С.Е. Фрайфельда [5].

Столяров Я.В. [6] отмечал, что усадка в армированном бетоне вызывает два явления: во-первых, в элементах конструкции возникают от усадки начальные напряжения в арматуре и бетоне; во-вторых, деформации отдельных элементов (линейные и угловые), происходящие от усадки бетона, вызывают в последнем проявление дополнительных внутренних усилий и соответствующих вторичных напряжений.

Косолаповым А.В. совместно с Ю.А. Самариным, В.А. Беккером и другими показана возможность создания различного напряженного состояния вокруг зерен плотного заполнителя в период формирования структуры цементного камня путем направленного подбора зернового состава крупного заполнителя и повышения уровня бездефектной реализации прочностных свойств бетона [7, 8].

Несомненно, что одним из важных направлений современного строительного материаловедения, способствующих сознательному управлению свойствами цементного камня и бетона, является, в частности, выяснение природы и факторов, определяющих формирование собственных деформаций и напряжений в цементном композите. Тем более что роли структуры и ее изменениям в процессе собственных деформаций в исследованиях не уделялось должного внимания.

Гипотеза об обжатии пористого заполнителя, сущность которой состоит в том, что керамзит (аглопорит), будучи окруженным в бетоне растворной матрицей (цементным камнем), испытывает до приложения эксплуатационной нагрузки всестороннее обжатие заполнителя, в результате этого наблюдается существенное снижение собственных напряжений и повышение растяжимости и прочности заполнителя на разрыв, − была высказана впервые нами на симпозиуме РИЛЕМ по легким бетонам [9].

Ниже будет показано подтверждение сформулированной гипотезы экспериментальным и расчетным путем.

Методика наших исследований эффекта обжатия пористого заполнителя как на моделях легкого бетона для плосконапряженного состояния и объемного обжатия, так и на образцах реального состава бетона изложена в работе [10].

Для экспериментов применяли аглопорит Черепановского завода и керамзит Саратовского ДСК и Октябрьского завода. Поскольку интенсивность и кинетика усадки проявляются весьма индивидуально у каждого отдельно взятого вяжущего, для повышения достоверности было

222

использовано шесть видов цемента, характеристики которых приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Обжатие пористого заполнителя обусловлено рядом независимо действующих факторов, главными из которых являются:

−собственные деформации цементного камня;

−влажностные деформации искусственных пористых заполнителей;

−гигрометрические условия окружающей среды;

−плотность и степень насыщения бетона заполнителем.

По И.Н. Ахвердову [11], при обратной миграции влаги из пористого заполнителя в цементный камень происходит набухание реакционных каемок, что приводит к возникновению и передаче на заполнитель значительного давления – набухания.

Шейкин А.Е. [12] отмечает, что аккумулированная заполнителем вода будет отсасываться твердеющим цементным камнем вследствие диффузионного характера гидратации цемента и наличия разницы химического потенциала раствора через реакционную каемку цементных частиц. В результате этого развивается существенное осмотическое давление в направлении меньшей концентрации, т.е. к поверхности пористого заполнителя.

Весь этот комплекс явлений: самопроизвольные влажностные деформации цементного камня и заполнителя, набухание реакционных каемок и осмотическое давление, наиболее полно будет характеризовать эффект обжатия пористого заполнителя в легком бетоне. В результате того, что усилия от набухания заполнителя и усадки цементного камня направлены противоположно друг другу, их эффект взаимно усиливает процесс обжатия заполнителя. Конечный результат выявляется с течением времени, и он будет индивидуален для каждой пары цементный камень – пористый заполнитель.

На рис. 5.1 показаны деформации усадки цементного камня и деформации обжатия зерен аглопорита с использованием трех видов вяжущего при твердении опытных образцов в нормальных лабораторных условиях. Деформации усадки замеряли на образцах-призмах размером 4 4 16 см, а

223

деформации обжатия – на плоских моделях размером 5 5 2 см, в центре

которых размещали зерно пористого заполнителя размером 2 2 2 см. Для замера деформаций использовали оптический компаратор ИЗА-2.

Рис. 5.1. Деформация пористого заполнителя в зависимости от миграции влаги и усадки цементной матрицы:

1, 2, 3 – деформации усадки; 4, 5, 6 – деформации обжатия; катав-ивановский шлакопортландцемент; днепродзержинский шлакопортландцемент; вольский портландцемент

Во всех случаях использования трех видов цемента для изготовления опытных образцов с целью определения усадки и обжатия было использовано цементное тесто одного замеса, приготовленного при В/Ц=1,65 KНГ .

Из анализа результатов, приведенных на рис. 5.1, следует, что практическое действие эффекта обжатия пористого заполнителя находится в прямой связи с прочностью обоймы цементного камня на растяжение. Монолитность ее обычно нарушается в результате появления усадочных микротрещин, появление которых во времени обусловлено гигрометрическими условиями и кинетикой твердения, В/Ц отношением, минералогическим составом вяжущего.

При появлении усадочных микротрещин эффект обжатия заполнителя теряется (рис. 5.1) и цементный камень (раствор) “упрочняет” заполнитель

224

лишь в результате стесненных деформаций последнего, как это показано В.К. Балавадзе [13].

Закономерно, что обжатие заполнителя может сохраняться при повышении прочности цементной обоймы или уменьшении интенсивности усадки. Тот и другой результат достигаются снижением водоцементного отношения.

Анализируя данные рис. 5.1, следует отметить, что на монолитность цементной обоймы, а, следовательно, и на величину и кинетику обжатия заполнителя сильное влияние оказывает минералогический состав цемента и его марка. Несмотря на то, что усадка цементного камня на шлакопортландцементах и превышает усадку вольского портландцемента в указанные сроки, возникновение усадочных микротрещин в цементной обойме из этих вяжущих мы фиксировали в более поздние сроки. Повидимому, это можно объяснить более пластичной структурой цементного камня, характеризующейся повышенным содержанием С2S и C4AF, и, в связи с этим, благоприятными условиями для релаксации возникающих задержанных деформаций усадки-обжатия.

В этой связи, высказанное А.И. Вагановым [14] положение о том, что “в легком бетоне растяжимость заполнителя является постоянной, а растяжимость раствора переменной, нейтрально возрастающей величиной”, требует уточнения, так как реальное положение таково, что растяжимость как растворной части легкого бетона, так и пористого заполнителя могут существенно изменяться.

Проведенные нами опыты с объемной моделью подтвердили качественно и количественно основные закономерности обжатия пористого заполнителя, полученные на плоской модели, а также подтвержден порядок величины обжатия, который при нормальных условиях твердения достигает 0,3...0,7 мм/м.

Помимо структурных моделей, обжатие заполнителей изучалось на образцах бетона с максимальным содержанием крупного заполнителя. В качестве заполнителя применялся аглопорит окатанной формы диаметром 8...10 мм и металлические шарики такого же размера. Образцы-балочки размером 4х4х16 см бетонировались раздельным способом, т.е. вначале формы-тройчатки полностью заполняли аглопоритовым гравием, а затем цементным тестом при В/Ц=0,5 с вибрацией. Цементное тесто подавали через пригрузочную металлическую сетку. Чтобы не изменить В/Ц отношение, аглопорит предварительно в течение 5...6 мин увлажняли. Аналогично изготавливались балочки, в которых заполнителем служили металлические шарики. В качестве вяжущего в данном опыте был использован портландцемент марки 500 Жигулевского завода.

Через сутки балочки распалубливались и помещались в эксикатор для твердения в условиях 100%-й влажности, а через 28 суток образцы

225

помещали на хранение в обычных лабораторных условиях, в которых и наблюдали за ними еще в течение 100 суток.

Деформации усадки-обжатия замеряли в контрольные сроки на компараторе ИЗА-2. Контрольный размер образцов определяли в возрасте бетона одни сутки, т.е. после распалубки и помещения образцов в эксикатор.

, мм/м

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

Рис. 5.2. Деформации обжатия пористого и металлического заполнителя в результате усадочных напряжений:

на аглопоритовом заполнителе; на металлическом заполнителе

Из рис. 5.2 следует, что первоначальное хранение 28 сут в эксикаторе над водой приводило к увеличению размеров образцов как с аглопоритом – 0,25 мм/м, так и с металлическими шариками – 0,12 мм/м. После 28-суточного влажного хранения режим был изменен на воздушно-сухие условия с влажностью 55 %. Как видно из графиков рис. 5.2, уже за первые сутки балочки как на аглопоритовом, так и на металлическом заполнителе показали деформации усадки-обжатия. При этом балочки из металлобетона, достигнув начального контрольного размера, из-за высокого модуля упругости заполнителя не проявляли деформаций усадки, а аглопоритобетон показал деформации обжатия-усадки в среднем 0,15 мм/м.

226

Дальнейшее наблюдение за образцами в течение 100 суток показало, что развитие усадочных напряжений в цементном камне приводило на образцах металлобетона к интенсивному развитию и раскрытию поверхностных усадочных трещин, что сопровождалось увеличением линейных размеров образца относительно контрольных размеров. На образцах же из аглопоритобетона развитие усадочных напряжений приводило к дальнейшему обжатию пористого заполнителя, достигая стабильной величины порядка 1,0 мм/м. При этом интенсивность развития и раскрытия поверхностных усадочных трещин на образцах аглопоритобетона была существенно меньше, чем на образцах из металлобетона.

Таким образом, проведенные опыты на структурных моделях и образцах бетона с максимально возможным содержанием крупного заполнителя в его объеме показали наличие эффекта обжатия пористого заполнителя от воздействия усадочных напряжений цементной матрицы, что обусловливает, с одной стороны, известное положение о повышенной усадочной трещиностойкости легких бетонов на пористых заполнителях, а с другой – повышенную растяжимость пористых заполнителей в легких конструкционных бетонах. Эффект предварительного обжатия пористого заполнителя повышает его предельные деформации растяжения на стадии разрушения бетона и в этом заключается теоретическое и практическое значение названного эффекта.

5.2. Расчетное определение собственных структурных напряжений в модели бетона

Как известно, структурные и феноменологические теории не учитывают влияния собственных внутренних напряжений на деформации и прочность бетона. Вместе с тем, большое влияние внутренних напряжений на деформацию и прочность бетона отмечали в своих работах И.Н. Ахвердов, А.В. Белов, А.А. Гвоздев, Г.И. Горчаков, А.Е. Десов, И.А. Иванов, П.Г. Комохов, В.М. Москвин, Л.П. Орентлихер, Б.Г. Скрамтаев, А.Е. Шейкин, А.Е. Федоров и ряд зарубежных исследователей.

По мнению А.Е. Десова [15], расхождение между теорией и опытом объясняется главным образом тем, что существующие теории прочности не учитывают влияния внутренних напряжений на деформации и прочность бетона.

Шейкин А.Е. [16, 17] отмечает, что более существенной причиной изменения физико-механических свойств цементного камня во времени является возникновение и развитие в последнем собственных напряжений, величину которых можно регулировать подбором минералогического состава клинкера.

Гвоздев А.А. [18, 19] писал: “на поле напряжений, которое могло бы возникнуть под влиянием тех или иных заданных воздействий в идеально

227

однородном теле, следует наложить еще и вторичное поле возмущений, вызванное неоднородностью структуры. При этом не следует думать, что вторичные напряжения всегда много меньше первичных. Поле напряжений, вызванное неоднородностью материалов, не поддается теоретическому подсчету”. Однако такие попытки делались и делаются в настоящее время.

Структурные напряжения, возникающие в бетоне, обусловливаются различным отношением составляющих композита к воздействию влажности, температур и других факторов.

Для изучения структурных напряжений, возникающих в бетоне вследствие усадки цементного камня и математического решения задачи методами теории упругости, нами была выбрана наиболее простая структурная ячейка бетона круглой формы, где зерно заполнителя размещено в оболочке из цементного камня [20].

Приняты допущения, что материалы изотропны, модули упругости − const, коэффициент температурного расширения − const.

Существенно упрощая решение задачи, принятые допущения вызывают некоторые неточности в картине распределения напряжений, однако, на первом этапе исследований мы считаем это неизбежным.

2 b

а

1

Рис. 5.3. Расчетная схема модели бетона

Модель отдельной ячейки бетона (рис. 5.3) представляет собой круглый тонкий диск, состоящий, в свою очередь, из двух тел: заполнителя1 и цементного камня 2. В силу малости толщины диска можно считать, что усадка цементного камня происходит равномерно.

Тогда для определения усадочных напряжений можно использовать уравнение плоской задачи теории упругости в полярных координатах [21].

Дифференциальное уравнение равновесия:

где r − нормальное радиальное напряжение; − нормальное тангенциальное напряжение.

228

Зависимость между перемещениями и деформациями:

Для решения задачи составное тело (рис. 5.4) разделили на два тела, 1 и 2, и их взаимодействие заменили неизвестными силами Ра (рис. 5.5).

1

2

Ра

Ра

Рис. 5.4. Схема взаимодействия сил

229