Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Строительные материалы и изделия: технология активированных бетонов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Элементы ползучести цементных бетонов

Затвердевший бетон представляет собой упругопластичный материал, поведение которого при интенсивном (мгновенном) нагружении подчиняется закону Гука. При длительном же действии нагрузки он обладает свойством ползучести, т. е. проявляет способность к неупругим, частично обратимым при разгрузке деформациям. Представление ясной физической сущности механизма явления, влияния на ползучесть различных технологических факторов и внешних воздействий играет важную роль в обоснованной разработке и создании малоэнергоемких бетонных и железобетонных конструкций с требуемыми прочностными и деформативными свойствами, повышенными стойкостью и эксплуатационной надежностью.

Однако и в данном вопросе есть определенные недоработки. В частности, до сих пор отсутствует единая точка зрения относительно причин ослабления структуры цементных бетонов и проявления дефор- мативно-пластических свойств. Явление ползучести рассматривается как следствие вязкого (подобно жидкости) течения бетона без нарушения его сплошности (Рейнер), появления и развития микротрещин (О. Я. Берг, 3. Н. Цилосани), выдавливания из цементного камня адсорбционно-связанной (коллоидной) воды и капиллярной усадки (Г. Гансен,

В. С. Рамачандран, Р. Лермит, Р. Ф. Фельдман, Е. П. Фрейсине), растворения и переосаждения гидратированных соединений (Б. Л. Мейерс, Ф. О. Слейт). Возможно совместное действие отмеченных факторов, например, при кристаллическом сдвиге, вязком течении (по аналогии с битумом) и инфильтрации адсорбированной воды из цементного камня (Р. Е. Дэвис, Г. Е. Дэвис) или деформировании гелевой составляющей цементного камня, капиллярного фактора и микротрещинообра- зования (С. В. Александровский, К. С. Карапетян, И. Е. Прокопович). Высказывается предположение о существенной значимости тепловых флуктуаций и механических напряжений, приводящих к разрушению малопрочных коагуляционных контактов и постепенной передачи усилий на жесткий кристаллогидратный каркас (С. Н. Журков, Б. Н. Нур- зулаев, А. Е. Шейкин), или за счет взаимного скольжения кристаллов цементного сростка по базисным плоскостям, периодического разрыва и возникновения новых межкристаллических связей (А. А. Гвоздев,

А. В. Яшин). Ряд авторов (С. Бест, Ф. Виттман, В. Р. Гембл, М. Поливка) ползучесть рассматривают как активационный фактор, способствующий искусственному старению композита за счет уменьшения (частичного устранения) силовым воздействием нестабильных и дефектных структурных элементов.

Не подвергая сомнению справедливость и правомерность изложенных гипотез, нельзя не отметить следующие, сложно поддающиеся объяснению и логической трактовке, моменты:

  • 1) представленные деструктивные явления (образование и развитие микротрещин, разрушение структурных связей камня, удаление связанной воды и т. п.), несомненно, должны были бы самым негативным образом отразиться на свойствах бетонов, произошло бы резкое снижение прочности и модуля упругости при разгрузке. При невысоких напряжениях ползучесть к таким явлениям не приводит: прочность и модуль упругости остаются практически прежними [88]. Более того, прочность не только остается прежней, но в ряде случаев заметно увеличивается, и это убедительно показано в многочисленных и широко известных работах [89—91 и др.] по раннему нагружению железобетонных конструкций;
  • 2) затвердевший цементный камень (бетон) представляется, как правило, в виде механического соединения кристаллогидратного сростка, гелевой (аморфной) составляющей, не до конца гидратированных зерен клинкера, пор, пустот, капилляров, адсорбционно-связанной воды и других структурных объектов с конкретными и неизменными (во всяком случае, в период испытаний) свойствами, что вряд ли справедливо. Бетон даже в самом зрелом возрасте чрезвычайно чувствителен к внешним (в том числе, силовым) факторам, немедленно реагирует на воздействия и мгновенно адаптирует свою структуру и свойства в соответствии с меняющимися условиями эксплуатации;
  • 3) деформация ползучести рассматривается как следствие протекающих в цементном камне под нагрузкой чисто физико-механических процессов (сдвига структурных элементов, микротрещинообразова- ния, выдавливания свободной и адсорбционной влаги, капиллярного сжатия системы и др.). При этом упускается из виду возможность химических преобразований, «совершенно игнорируется влияние химических процессов» [92]. А ведь эти процессы неизбежны, учитывая деформацию структурного каркаса цементного камня, вполне реальный разрыв молекулярных (в том числе водородных) связей, образование активных, высокореакционных энергетически ненасыщенных зон. Вероятность химического аспекта косвенно подтверждается опытами А. Бентура с сотрудниками по определению методом адсорбции азота площади поверхности цементного камня до и после нагружения, показавшими повышение данного параметра у нагруженных образцов от 10 % до 20 % [93].

Выполненные экспериментальные работы позволили сделать некоторые пояснения к рассматриваемой проблеме. Наиболее важной, в значительной мере определяющей конечные свойства продукта, является начальная стадия испытаний, в которой деформации бетона протекают особенно интенсивно. В связи с этим, методологический подход несколько отличался от требований ГОСТ 24544—81. Ползучесть определяли на образцах-призмах размером 40x40x160 мм, соосное нагружение которых усилием 280—285 кН (2800—2850 кгс), составляющим 0,3—0,5 разрушающей нагрузки, производили при помощи гидравлического пресса и динамометра образцового сжатия ДОСМ-3-5. Величину осевой деформации регистрировали индикатором часового типа, входящим в комплект динамометра (с коэффициентом 0,7). Первые 4—5 суток испытание проводили в естественных условиях (рис.6.11, а), затем 3—4 суток — при одностороннем инфракрасном обогреве (рис.6.11, б).

Установка для определения деформаций ползучести образцов в различных

Рис 6.11. Установка для определения деформаций ползучести образцов в различных

температурных условиях

Разумеется, в процессе осевой деформации образцов (сжатии при нагружении или расширении при нагреве) имело место некоторое изменение величины их нагружения вследствие соответствующей разгрузки или, наоборот, сжатия пружины динамометра. Однако вряд ли этот аспект существенным образом повлиял на качественную картину полученных результатов. К тому же, цель работы — не столько изучение ползучести как конкретного реологического параметра, сколько необходимость привлечения внимания специалистов к отдельным сопровождающим процесс явлениям и их теоретической интерпретации, которые непременно должны быть учтены, уточнены и развиты в дальнейших исследованиях.

С целью сопоставительного анализа использовали образцы из стабильных естественных (гранита, мрамора), искусственных (керамики, бетона силикатного) материалов и цементных составов 28-суточного возраста на основе новороссийского ССПЦ500-Д20, изготовленных из цементного теста нормальной густоты (В/Ц = 0,28), растворной смеси состава Ц : П = 1 : 2 с В/Ц = 0,60; 0,50 (с добавкой гиперпластификатора Мурапласт FK63.3 в количестве 1,5 % от массы цемента) и 0,45 в двухлетнем возрасте (с пятикратной циклической вибрацией при твердении). До момента проведения испытаний цементные образцы выдерживали в условиях, исключающих обезвоживание материала. Снятие замеров в начальный период испытаний (в том числе, в начальной стадии нагрева) производили через 1—2 часа, в промежуточные сроки — через сутки. Для наглядности полученных зависимостей и удобства анализа результатов исходное состояние образца на графике соответствовало «нулевой» отметке, усадочные и расширительные (более «нулевого» значения) проявления отражались в отрицательной и положительной зонах деформативной оси.

Несмотря на внешнее сходство полученных зависимостей (рис. 6.12), обращает на себя внимание следующее:

1) деформация ползучести образцов на основе цементных составов 28-суточного возраста (рис. 6.12, б) более чем на порядок превышает аналогичные показатели стабильных структур (рис. 6.12, а), причем ползучесть последних ко вторым-третьим суткам затухает, в то время как для цементных составов (кроме двухлетнего образца) имеет постоянно увеличивающийся характер;

Деформация ползучести стабильных структур (а) и цементных композиций (б)

Рис. 6.12. Деформация ползучести стабильных структур (а) и цементных композиций (б)

  • 2) односторонний нагрев приводит к вполне понятному и закономерному начальному термическому расширению образцов с последующим сохранением деформативной тенденции для стабильных структур и более интенсивному лавинному росту ползучести цементных составов;
  • 3) в завершающей стадии испытаний наблюдается явное прекращение деформации стабильных материалов (мрамора, гранита и др.) и заметное снижение интенсивности ползучести цементных образцов;
  • 4) интенсифицирующую роль в ползучести играет повышенный водоцементный фактор, и напротив, возраст бетона значительно нивелирует деформативные проявления, что вполне соответствует общеизвестным экспериментально-теоретическим положениям;
  • 5) наибольшей ползучестью обладает пластифицированный раствор с В/Ц = 0,5, деформативные показатели которого превышают таковые бездобавочного состава даже с более высоким (В/Ц = 0,6) водо- содержанием.

На рис. 6.13 представлены деформативные кривые растворных образцов состава Ц : П = 1 : 2 (новороссийский ССПЦ500-Д20, песок— кварцевый кубанский низкомодульный, В/Ц = 0,5), твердевших 28 суток в различных условиях: распалубленном (естественном) виде, водной среде, герметизированном состоянии, после восьмичасового кипячения и при низкой положительной температуре (6 ± 3 °С).

Влияние условий твердения на ползучесть бетонов

Рис. 6.13. Влияние условий твердения на ползучесть бетонов

На рис. 6.14 приведены аналогичные кривые образцов из цементного теста и равноподвижных бетонных смесей на плотном (гранитный щебень и кварцевый песок) и пористом (керамические щебень и песок) заполнителях (состав по массе Ц:П:Щ = 1:2:4)с более широким временным интервалом твердения до нагружения (от 7 до 90 сут).

Дополнительно к вышеприведенным особенностям отметим:

  • 1) температурно-влажностные условия твердения в значительной мере сказываются на количественном аспекте ползучести, снижая деформативные свойства после пропаривания, доводя их до среднего уровня при водном и герметизированном твердении и существенно повышая при твердении образцов в условиях пониженных положительных температур;
  • 2) с увеличением возраста деформативные показатели, как правило, снижаются, однако некоторые кривые (например, 28-суточного образца, рис. 6.14, а) могут не вписываться в эту закономерность, что связано с наложением на деформацию ползучести собственных протекающих в момент проведения испытаний гидратационных явлений;
Деформация ползучести цементного камня с В/Ц = 0,24 (а), 0,32 (б) и бетонов (в)

Рис. 6.14. Деформация ползучести цементного камня с В/Ц = 0,24 (а), 0,32 (б) и бетонов (в)

на новороссийском ПЦ500-Д0

3) ползучесть бетона обусловлена ползучестью цементного камня, заполнители же, как известно [94, 95], уменьшают ее пропорционально занимаемому объему, причем их плотность и прочность не оказывают заметного действия на деформативный результат (рис. 6.14, в).

Силовое нагружение деформирует структуру цементного камня (раствора, бетона), нарушает его энергетическое равновесие, активирует адсорбционно-связанную воду, приводит к гидратации остаточных поверхностно-активных зон, соответствующему ослаблению связей микробетона и существенным деформативным свойствам композита. Химическая сторона ползучести подтверждается как упомянутым ранее повышением (до 20 %) площади поверхности новообразований [93], так и обнаруженным в настоящей работе гидратом, сформировавшимся в условиях воздействия силового и температурного факторов (обведено на рис. 6.15).

Дифференциально-термический анализ цементного камня с В/Ц = 0,28

Рис. 6.15. Дифференциально-термический анализ цементного камня с В/Ц = 0,28:

1 — эталонный; 2 — подвергнутый ползучести образец

О повышении степени гидратации цемента силовым путем свидетельствует сопоставительный термовесовой анализ эталонных и подвергнутых нагружению 35-суточных образцов (выдержанных под нагрузкой в течение 9—10 суток с периодическим доведением нагрузки до исходного значения, рис. 6.16). Инициация химического связывания воды в нагруженном микробетоне нарушила влажностное равновесие порового пространства с окружающей средой, что привело к потреблению деформируемым композитом дополнительного количества молекулярно-дисперсной влаги и соответствующему увеличению показателей (табл. 6.5).

Особого внимания заслуживают результаты электронной микроскопии контрольного и подверженного 10-суточной ползучести образцов (с В/Ц = 0,24), подтверждающих не только определяющую химическую составляющую ползучести, но и справедливость разработанного стадийно-поверхностного механизма твердения цементных систем и морфологическую особенность микробетона — наличие поверхностно-активных зон.

Деформация ползучести цементного камня при периодическом возобновлении

Рис. 6.16. Деформация ползучести цементного камня при периодическом возобновлении

начальной нагрузки

Результаты термовесового анализа

Вид образцов

Потеря массы (%) цементного камня с В/Ц после

0,24

0,32

сушки

обжига

общая

сушки

обжига

общая

Эталон

11,13

11,85

24,30

13,95

15,05

31,07

После ползучести

11,20

12,04

24,74

14,28

15,10

31,54

Примечание. Сушку навесок массой 15—20 г осуществляли при температуре 105 ± 2 °С в течение трех суток, обжиг при 900 ± 10 °С — в течение суток

При получении скола разрушение цементного камня в гидратаци- онно-стабильном состоянии происходит по наиболее слабым структурным элементам: микротрещинам, межзерновым пустотам, порам, капиллярам, границе раздела «массив зерна — гидратный продукт» или поверхностям взаимодействия выдавливаемых из соседних гидратирующихся точек аморфных новообразований. В результате взору предстает рядовая и маловыразительная картина (рис. 6.17, а), не дающая возможности описания с достаточной степенью объективности и надежности особенностей структурного устройства конечного продукта. Силовое же воздействие, активируя адсорбционно-связанную воду, провоцирует гидратацию цементных минералов, определяет появление в микробетоне, вследствие этого, временно ослабленных структурных участков — остаточных поверхностно-активных зон. По этим деструктивным зонам происходит разрушение, что и иллюстрируется микроскопией (рис. 6.17, б) — обширным наличием в поверхностном слое цементных зерен пористых сферообразных структурных построений. Эта структурная композиция, кстати, дает дополнительную информацию о толщине гидратированной оболочки, не превышающей 1,5 мкм, что лишний раз доказывает о правомерности утверждения о поверхностности гидратационного процесса портландцемента и материалов на его основе.

Представленный материал позволил заключить следующее:

  • 1) основной причиной пластического деформирования бетонов под действием нагрузки является химический процесс, происходящий вследствие гидратации остаточных поверхностно-активных зон активированной силовым воздействием адсорбционно-связанной водой с сопутствующим ослаблением структурных связей микробетона;
  • 2) снижение деформативных свойств может быть достигнуто технологическими приемами, обеспечивающими полноту и завершенность гидратационных преобразований (тепловой обработкой, достаточным количеством воды затворения, ограничением применения пластифицирующих и противоморозных добавок, виброактивационными режимами и др.);
Общий вид цементных зерен микробетона

Рис. 6.17. Общий вид цементных зерен микробетона:

а — эталонный; б — подвергнутый ползучести образец

  • 3) возраст бетона (особенно на начальном этапе твердения) не может быть гарантией стойкости и надежности конструкций, учитывая неисчерпаемость химического аспекта и сложно прогнозируемую на данный момент периодичность сбросов прочности, что следует принимать во внимание в монолитном производстве;
  • 4) вызванный силовым воздействием поздний гидратационный процесс, являясь причиной деструкции цементного камня и источником повышенной деформативности бетонов, одновременно характеризуется и позитивной стороной — способностью самозалечивания микродефектов и повышения прочностных показателей.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>