Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

КОНТРАКЦИОННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ СХВАТЫВАНИЯ

Контракция (стяжение) объема цементного геля, возникающая почти сразу же после затворения цемен­та водой, продолжается затем в течение всего индукци­онного периода и, как это было отмечено, завершается на третьем спаде кривой электросопротивления. Явление контракции объема цементного геля проявляется в силь­ной степени в стадии гидратации ионов. По мере раз­вития процесса схватывания (сопровождающегося уп­рочнением структурных связей) контракция вызывает­ся сжатием диффузных слоев вследствие перекрытия двойных электрических слоев и появления сил притяже­ния, вызывающих сближение и слипание частиц. При избытке жидкой фазы не вся она адсорбционно связы­вается; определенное ее количество вытесняется из це­ментного геля вовне под влиянием градиента внутрен­него давления еще до окончания индукционного перио-

Да. При контракции объема цементного геля сплошность его не нарушается, а происходит объемная пластичес­кая деформация. Изменение контракционного объема цементного геля в зависимости от водоцементного отно­шения можно выразить аналитически на основании сле­дующих предпосылок.

Возьмем сосуд, заполненный цементным гелем, и рас­смотрим условия равновесия выделенной в нем призмы с основанием 5=1X1 см и высотой г (рис. 4.12).

Если Yr — объемная масса цементного геля, a to — сопротивление структуры его сдвигу, тогда давление Рс от собственной массы выделенной призмы, приходя­щейся на S= 1 см2 основания, определится выражени­ем [4]:

Рс = ZYr—.4ZT0. (4.26)

В связанной системе, какой является цементный гель, давление от массы лежащего выше слоя (столба) мо­жет передаваться на нижележащий только при дефор­мации структуры цементного геля, возникающей при на­пряжениях сдвига т, когда они больше предела упруго­сти ТуП. Поскольку То /^2 Туп, можем написать

Pc — Z (Yr — 2т0). (4.27)

Из выражения (4.27) следует, что при разрушении структурных связей т0=0 и Pc=ZyГ, т. е. внутреннее давление будет соответствовать статическому давлению столба геля высотой Z. Если же сопротивление сдвигу т0= 1 Yr, тогда система не будет испытывать внутренне­го давления, так как 0. Приведенный анализ пока­зывает, что по своим физическим свойствам цементный гель занимает некоторое промежуточное положение ме­
жду твердыми телами, для которых рс=0, и бесструк­турными или слабоструктурированными жидкостями, для которых Po,=ZyT. В равной степени полное гелеста - тическое давление ZyГ будет действовать на лежащие ниже слои, а также во всем объеме системы при полном тиксотропном разжижении цементного геля, так как т0=0.

В упругом и вязкопластическом состоянии внутрен­нее давление, под влиянием которого может проявлять­ся деформация контракции объема цементного геля, бу­дет всегда меньше ZyГ. Величины рс при Z= 1 для це­ментного геля при изменении значений X от 1 до 4 при­ведены на рис. 4.13.

Если мысленно выделить (см. рис. 4.12) элементар­ный объем цементного геля и рассмотреть влияние нор­мального давления от лежащих выше слоев, то абсо­лютная деформация сжатия в направлении силы тяже­сти может быть для этого элементарного объема выражена, согласно (3.28), следующей зависимостью:

! / Ро Vй8

I / о ч, / • (4-28)

Vz (Yr — 2т0) + Ро/ Учитывая, что давление возрастает с увеличением высо­ты столба г, проинтегрируем (4.28) в пределах от 0 до H:

Л h h

Dz

Гл^га^Гл^рОлвР -------------------------

J l + eroJ J [zk-

[Z (Yr — 2T0) + P0] После соответствующих преобразований получим

4 - FS: {й - W^j h+4 ^-

-М,.+»(p;-s«,,> Г"-»])• ,4-м)

Из уравнения (4.29) можно определить величину отно­сительной деформации 8Х=—. Разделив правую часть

H

Уравнения на й, получим

6" -Т+^7 {' ~ 0,82* (V,- Й.1 [<Ft + *(Vr-

-^L+M^-J0'"-"-])- (4-30)

Цементный гель может претерпевать пластические деформации при коагуляционном самоуплотнении лишь в том случае, если из него будет отжиматься жидкость, разобщающая сольватированные частицы твердой фазы. Предельное значение Х> при котором практически уже не происходит самопроизвольное коагуляционное стяже­ние объема цементного геля, соответствует 1; этому значению X соответствует коэффициент пористости С,

РаВНЫЙ 8Г.н.

Самоуплотнение в тиксотропных гелях названо си- нерезисом[12]. Результаты подробного изучения синерези - са приведены в работе [76], согласно которой студнеоб - разование и синерезис — явления одного и того же по­рядка и представляют собой отдельные стадии процес­са старения коллоидных систем[13]. Скорость синерезиса зависит в первую очередь от расстояния между частица­ми, т. е. от их концентрации. Чем выше концентрация ге­ля, тем больше скорость синерезиса и раньше достига­ется равновесное состояние — завершается индукцион­ный период. Явление синерезиса в коллоидных системах возникает, когда где Ут. ф—объем твердой фа­

Зы вместе с сольватными оболочками. В связи с этим при С=8г. н относительная деформация сжатия объема цементного геля при самоуплотнении его 6^=0, так как в этом случае Уг=Ут. ф и т>1 - уг.

Коагуляционное уплотнение концентрированных ге­лей вследствие сближения частиц способствует, кроме всего прочего, уменьшению пористости. Подставляя в (3.25) С=8г. н и р=рс, после преобразования получим

Ег = ег. н + (ег0 - вг. н) {о,82/1(1-2Т0) Х

(Р0+мт, - 2х0» _ 2то))0Л8 - Р0;

Вычислив по зависимости (4.31) значения коэффициен­та пористости, можно определить (В/Ц)0Ст или Х0Ст при известном Кя. г-

Анализируя выражения (4.30) и (4.31), можно за­ключить, что коагуляционное самоуплотнение цементно­го геля обусловливается его структурными особенностя­ми: пористостью, сопротивлением сжатию и сдвигу, а также другими факторами, косвенно учитываемыми в приведенных выше зависимостях.

В подтверждение изложенного приведем эксперимен­тальные данные, иллюстрирующие кинетику относи­тельной деформации 8Х и водоотделения в зависимости от водоцементного отношения (рис. 4.14,а и б).

Количество отслаивающейся жидкости зависит от на­чального ее содержания в цементном геле и адсорбцион­ной способности цемента, т. е. от ВЩ затворения. При В/Ц^. 1,65 Кя. г (Кн. г=0,3) жидкость отжимается в не­большом количестве, в то время как при ВЩ = 1,65 Кя. т — это явление прогрессирует (рис. 4.14,6).

В последнем случае жидкость отделяется вначале вследствие седиментации цементных флокул, находя­щихся в жидкой среде во взвешенном состоянии. После восстановления связности системы уплотнение осадка с дополнительным отжатием воды обусловливается, как уже было отмечено, развитием коагуляционных процес­сов под влиянием сил сцепления и силы тяжести (собст­венной массы).

По идентичной кривой изменяется относительная де­формация цементного геля при коагуляционном самоуп­лотнении (см. рис. 4.14,а): до 1,65 Кн.Г, т. е. В/Ц=0,5> Объем цементного геля уменьшается незначительно; при ВЩ> 1,65 Кп. т вследствие выпадения седиментационно - го осадка значения 8Х с увеличением избыточного водо - содержания в разобщенной структуре системы цемент-f-
+вода существенно возрастают. Каким образом, в точ­ке, соответствующей 1,65 Кп. г> цементный гель претерпе­вает качественные структурные изменения, которые так­же присущи цементному камню и бетону.

В соответствии с теоретическими представлениями, математическими зависимостями и экспериментальны­ми данными заключаем, что пористость сформировав­шейся коагуляционной структуры цементного геля пре­допределяется остаточным значением В/Ц, которое ус­танавливается в основном в начале индукционного пе­риода, так как к моменту его окончания не происходит дополнительного водоотделения.

Максимальная контрактация объема цементного геля проявляется перед началом индукционного периода и к его окончанию объемные изменения практически завер­шаются. Сложившееся к этому моменту пространствен­ное взаиморасположение частиц твердой фазы в стадии упрочнения цементного геля сохраняется, а изменения претерпевает в основном структура пор, так как по ме­ре окаймления цементных ядер (непрогидратированных до конца частиц) кристаллогидратными образованиями сечения пор уменьшаются. Таким образом, стало уже непреложным фактом, что коагуляционная структура цементного геля, сформировавшаяся в течение индук­ционного периода, предопределяет при прочих равных условиях физико-механические свойства цементного камня. Можно сказать, что последний как бы наследует все особенности коагуляционной структуры цементного геля.