Файл: Ашрабов, А. Б.pdf

При обеспеченной прочности заполнителя, помимо его формы, значительное влияние ка сцепление оказывает чистота его поверхности, так как загрязненность глини­ стыми примесями ухудшает сцепление. Заполнители с развитой шероховатой поверхностью лучше соединяются с цементным камнем в прочный конгломерат, чем запол­ нители с гладкой поверхностью. Положительное влияние на сцепление оказывает пористость зерен заполнителя. Благодаря эффекту «самовакуумировапия», при котором такой заполнитель является возбудителем интенсивных капиллярных явлений, происходит отсос воды из окру­ жающей среды внутрь зерна, что приводит к уплотнению цементного камня и соответственно повышает его проч­ ность. Кроме того, капиллярные силы, развивающиеся при впитывании пористым заполнителем воды, способст­ вуют проникновению цементного теста в открытые поры, т. е. имеет место как бы срастание цементного камня с заполнителем.

При изучении природы сцепления следует различать механический, геометрический и химический аспекты взаимодействия цементного камня с заполнителем. Ме­ ханическое сцепление происходит при зацеплении мелки­ ми кристаллами неровностей на поверхности заполнителя цементного камня.

Геометрическое сцепление вызывается изоморфной кристаллизацией веществ, с близкими параметрами кри­ сталлической решетки, при которой кристаллы гидратированного цемента являются продолжением кристаллов вещества заполнителей. Сцепление такого типа встреча­ ется редко и характерно для известковых заполнителей. Сцепление третьего типа начинается первоначально со смачивания жидкой фазой геля поверхности заполните-' лей, обусловленного адгезионными силами сцепления Ван-дер-Ваальса, и дополняется более значительными силами химической связи, появившимися в результате поверхностных химических реакций между продуктами гидратации цемента и веществом заполнителя. При этом контактная зона из новообразований толщиной до 0,5 мм отличается повышенной плотностью и прочностью.

Среди многих факторов, влияющих на прочность кон­ тактной зоны, и, следовательно, определяющих долговеч­ ность бетона, следует отметить свойства усадки или рас­ ширения цементного камня и способность бетона проти-

14

востоять многократно изменяющимся температурным воз­ действиям.

В процессе, усадки в цементном камне развиваются растягивающие напряжения, а в заполнителе — сжимаю­ щие; при расширении — наоборот. При медленном нара­ стании усадочных деформаций или расширения, эти на­ пряжения вследствие ползучести цементного камня релаксируют и, медленно затухая, не приносят значительного вреда. Однако при интенсивном нарастании усадки эти напряжения могут достигнуть предела прочности цемент­ ного камня па растяжение и вызвать появление микро­ трещин, что приводит к снижению прочности и плотности бетона. Аналогичные напряжения возникают и при дейст­ вии температур вследствие разных коэффициентов тем­ пературного расширения, которые для цементного камня, в интервале обычных эксплуатационных температур из­ меняются от 1 0 Х 1 0 - 6 до 18ХЮ~6 г р а д - 1 , а для заполни­ теля несколько ниже.

15

ядра. (Здесь знаки «плюс» или «минус» ставятся соответ­ ственно при растяжении или сжатии).

Таким образом, важным условием необходимой проч­ ности бетона является минимальное изменение объема цементного камня при его твердении, а также соответст­ вие значений его коэффициента температурного линейно­ го расширения с аналогичными значениями для запол­ нителя.

Из сказанного следует, что структурообразование це­ ментного камня происходит по-разному в его объеме и на границе с заполнителем. Теоретические представления о разрушении структуры бетона под действием внешних нагрузок базируются на закономерностях, учитывающих свойства всех компонентов структуры бетона, какими являются заполнители, гелевые и кристаллические обра­ зования с наличием пор, капилляров и других микроде­ фектов, а также жидких фаз в различных состояниях.

Вследствие своей неоднородности и анизотропности бетон под нагрузкой испытывает сложное напряженнодеформированное состояние. В местах, имеющих поры и другие пустоты, а также в районе более жестких частиц, обладающих более высокими модулями упругости, про­ исходит местная концентрация напряжений, из-за чего по плоскостям соединения частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между ними. Кроме того, известно, что в теле с отверстием, подвергающемся сжа­ тию, наблюдается концентрация не только сжимающих, но и растягивающих напряжений, возникающих по пло­ щадкам, параллельным сжимающей силе.

Аналогичное явление происходит и в бетоне. На поле напряжений, возникшее от внешней нагрузки, наклады­ вается вторичное поле силовых возмущений, вызванных неоднородностью структуры. Растягивающие напряжения накладываются друг на друга соответственно количеству и расположению пор и пустот, поэтому возникшее поле напряжений не поддается теоретическому подсчету и

16

подчиняется только осредненным статистическим законов мерностям. Разрушение сжимаемого образца начинается с образования микроскопических трещин и микроразры­ вов в поперечном направлении. Образование этих трещи­ нок повышает неоднородность поля напряжений и прида­ ет ему в известной мере ориентированный характер.

При таком изменении напряженного состояния микро­ трещины местами раскрываются, а местами зажимаются, причем вдавливаемые друг в друга частицы оказывают расклинивающее действие. Это приводит к дальнейшему нарушению структуры бетона, что при сжатии сопровож­ дается кажущимся увеличением объема образца. При увеличенной нагрузке происходит рост и объединение микротрещин, приводящее к разделению ранее монолит­ ного сечения бетонного образца на отдельные призмы неправильной формы, которые начинают разрушаться от потери устойчивости и одновременного изгиба, сжатия и среза под действием касательных напряжений, действую­ щих в сечении.

Усадка и набухание бетона. Важной особенностью деформаций бетона является его объемное сокращение или расширение при твердении. Ввиду отсутствия гигрометрического равновесия с окружающей средой влажный капиллярно-пористый бетон высыхает, уменьшая свой объем, при твердении на воздухе (усадка бетона) или увеличивается в объеме при твердении в воде (набуха­ ние бетона).

Усадка бетона связана с удалением влаги, которая классифицируется по интенсивности энергии связи воды в бетоне.

Усадочные деформации начинают проявляться уже после испарения воды из микропор и мелких капилляров. Однако из ряда экспериментальных данных следует, что капиллярная составляющая усадки, связанная с потерей свободной воды, не велика и носит второстепенный ха­ рактер. Основную долю деформаций усадки составляют объемные изменения гелевой структурной составляющей цементного камня, обусловленные изменением при высы­ хании содержания в геле связанной силами адсорбции воды. Процесс высыхания идет следующим образом. Вна­ чале удаляется вода субмикрокристаллических ячеек ге­ ля и полимолекулярно адсорбированных слоев, а затем вода, адсорбированная в виде мoнoмoлeк^лдpJШXcлoeв.

Удаление структурно-связанной и адсорбированной воды сопровождается значительным сжатием цементного камня. Вышеуказанные явления в сумме составляют влажностную усадку бетона.

Контракционная составляющая усадки носит физикохимический характер и связана с уменьшением объема «цемент — вода» при возникновении новообразований в процессе схватывания и начального периода твердения бетона, имеющих объем меньший, чем объем исходных продуктов. Контракционный эффект также связан с про­ цессом адсорбции воды поверхностью цементных зерен и кристаллов новообразований, при котором происходит уплотнение воды в тонких адсорбционных слоях, а следо­ вательно, и сжатие всей системы.

С обжатием скелета цементного камня, происходящим под действием капиллярных сил и испарения межкри­ сталлической воды, поверхности кристаллов, зазоров и трещин сближаются, что способствует возникновению сил межмолекулярного взаимодействия между поверхностя­ ми твердых частиц. Это взаимодействие вначале ослабле­ но из-за экранирующего действия тонких прослоек жид­ кости между поверхностями частиц. При удалении этих прослоек в результате испарения влаги межмолекуляр­ ные силы взаимодействия между поверхностями твердых частиц постепенно достигают наибольшей величины.

Под действием этих сил скелет цементного камня удерживается в сжатом, деформированном в результате усадки состоянии. Наконец, вследствие уменьшения объ­ ема затвердевшего цементного камня в бетоне, при раз­ ложении находящихся в напряженном состоянии кри­ сталлов гидроокиси кальция, в результате их химического взаимодействия с углекислым газом, содержащимся в воздухе, имеет место карбонизационная усадка. Она по­ является при наличии напряженного состояния кристал­ лов гидроокиси кальция, которое неизбежно возникает в бетоне под влиянием влажностной усадки и внешней пагрузки. Некоторая часть усадочных деформаций связана с потерей избыточной воды на гидратацию еще не про­ реагировавших частиц цемента.

Рассмотренная выше схема усадки цементного камня, конечно, существенно упрощена. В действительности, осо­ бенно в бетоне, этот процесс протекает значительно слож­ нее. Многочисленные исследования, проведенные такими

18

показывают, что удаление влаги из бетона происходит по вполне четкому закону: вначале удаляется вода, об­ ладающая наименьшей энергией связи, а затем остальные виды воды с очередностью по возрастающей интенсивно­ сти этой энергии.

Качественный характер протекания усадки во времени отражается кривой, подчиняющейся экспоненциальным зависимостям и приближающейся ассимптотически к оп­ ределенному пределу.

Экспериментальными исследованиями установлено, что усадка зависит от многих технологических и физиче­ ских факторов, а также среды, в которой находится бетон. К этим факторам относятся количество, вид и минерало­

Свободной усадке цементного камня в начальный пе­ риод твердения бетона препятствует заполнитель, причем сдерживающее влияние зависит от его упругих свойств: оно тем сильнее, чем выше его модуль упругости. Кроме того, пористость заполнителя влияет на уменьшение или увеличение влажностных деформаций бетона (табл. 1.2,3).

Обращает на себя внимание сравнительно малая усад­ ка бетона на гранитном и известковом щебне по сравне­ нию с бетоном на гравии и песчанике.

19