Файл: Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции.pdf

увеличивает начальное расширение бетона почти на

0,05%.

На рис. 2.38 даны результаты исследования в течение 5 лет бетона на М-цементе и на обычном портландцемен­ те. Положительное расширение бетона на М-цементе со­ храняется на весь срок наблюдений.

На рис. 2.39 показано, что прочность бетона на М-це­ менте при расходе цемента 310 кг]м3 и на сжатие и рас­ тяжение аналогична прочности бетона на портландце­ менте и быстро увеличивается, достигая максимума в 14суточном возрасте. М-цемент находит все большее

С : А и CS : А обеспечивают получение расширяющегося цемента наибольшей расширяемости и без усадки только при определенном гранулометрическом составе расширя­

88

Рис. 2.41. Влияние грануломет­ рического состава расширяю­ щего компонента цемента М. Мики на расширение и усадку

В какой мере справедливо сделанное заявление, вид­ но из данных табл. 2.7 и из графика (рис. 2.41). Из пяти испытанных гранулометрических составов два состава —

дали меньшее расширение и обнаружили после 2—4 су­ ток четко выраженную усадку. Состав е, наиболее дис­ персный, показал очень малое расширение и затем усадку, создающую растяжение бетона. Автор не дает объяснений причин, почему составы а и В являются оп­ тимальными и по величине расширения и по отсутствию усадки.

89

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