ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЗАТВЕРДЕВШЕГО БЕТОНА НА ЕГО МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

Бетон представляет собой тело со сложной структурой. Основные его свойства определяются главным образом фи­зико-химическими параметрами цементного камня, об­разующегося в процессе гидратации цемента с водой. Пер­воначальная дисперсная фаза цемента постепенно раство­ряется в воде, образуя раствор, перенасыщенный по отно­шению к кристаллогидратным новообразованиям.

Основной процесс гидратации, по-видимому, начинается на границах зерен цементного клинкера. Образующиеся на поверхности зерна гелевые структуры, состоящие из субмикрокристаллов и пор между ними, представляют со­бой достаточно плотные массы с минимальной пористостью, равной [28% [63]. Размеры пор гелевых структур имеют порядок 20 А. Кроме того, в этой массе образуются капил­лярные пустоты. В процессе кристаллизации, происходящей вне зерен цемента, создаются дендритообразные, нитевид­ные и другой формы новообразования, которые взаимно переплетаются и прорастают. Элементы новообразований обнаруживаются при электронномикроскопическом анализе новообразований цементного камня. С понижением насы­щенности раствора рост новообразований продолжается, но при этом процесс сопровождается лишь обрастанием кристаллического каркаса [74].

Методами электронной микроскопии, ртутной поромет - рии и капиллярной конденсации обнаруживается развитая система пор, отличающихся друг от друга на несколько по­рядков по своим размерам. .Поры, выявленные методами электронной микроскопии [191 ], имеют сложную и разнооб­разную форму. На рис. 5 приводится кривая дифференциаль­ной пористости, полученная методами ртутной поромет - рии и капиллярной конденсации из работ Ф. М. Иванова [37]. При этом поры рассматриваются условно как име­ющие шаровую форму, эквивалентный диаметр которой (в логарифмическом масштабе) отложен по оси абсцисс на рис. 5.

В процессе гидратации образуются не только поры геле­вых структур размером до 5 • 10~6 мм (50 А), но и множест-
Ёо разнообразных поровых пространств, размеры Которых достигают области видимых пор с эквивалентным диамет­ром в доли миллиметра. На кривых дифференциальной пористости обнаруживается, как правило, несколько групп

Dv

Пор, которые по своим эквивалентным размерам соответ­ствуют пикам экспериментальных кривых.

В бетоне встречаются поры трех типов в зависимости от их связи с другими порами: сквозные, допускающие пере­мещение влаги, тупиковые и замкнутые. На основании ре­зультатов определения электропроводности образцов, на­сыщенных раствором электролита [37], удается различать пористость цементного камня по двум их качественно от­личным характеристикам.

Структура цементного камня может изменяться при введении специальных пластифицирующих, воздухововле- кающих и газообразующих добавок. Добавки влияют на процесс формирования кристаллогидратных образований. Это проявляется в изменении характеристик пористости, взаимном объемном размещении пор и капилляров в це­ментном камне, а следовательно, и в свойствах воды в них.

Пористость цементного камйя и соответственно раствора и бетона можно характеризовать общей пористостью V0f кривой распределения пор по эквивалентным диаметрам Vt = F(Pv) и объемом сквозных V± и замкнутых пор V2.

Исходное количество воды, принятое для затворения цементного теста 5, в процессе гидратации частично всту­пает в химическую связь с компонентами раствора цемент­ного клинкера. Остальная часть воды находится в различ­ных термодинамических состояниях в порах и капиллярах цементного камня. Гидрофильный характер поверхности гидратов новообразований способствует адсорбции воды на поверхности кристаллических структур, которая по­крывает поверхность полностью или частично мономоле­кулярными или полимолекулярными адсорбционными сло­ями. В особо тонких слоях свойства водных пленок тол­щиной в несколько молекул иные, чем у обычной воды, так как ван-дер-ваальсовы силы взаимодействия молекул и атомов воды сообщают этим пленкам способность противо­стоять большим растягивающим и скалывающим усилиям. Наконец, в капиллярах существует вода свободная, кото­рая может перемещаться и переходить в пар при измене­нии параметров температуры и влажности внешней среды бетона. Таким образом, система пор, характерная для струк­туры цементного камня, может быть заполнена как водой, так и воздухом или водяным паром в зависимости от усло­вий гидротермального равновесия с внешней средой.

Общее количество первоначально введенной воды В Для затворения цемента, как уже отмечено, в последующем частично становится химически связанной водой Вх; осталь­ная часть разделяется на адсорбированную воду Ва и ка­пиллярную Вк.

По данным [37], структуры с ультрамикропорами ра­диусом менее 5 • Ю-7 см (50 А) могут быть отнесены к плот­ным непроницаемым для воды структурам, где действуют адсорбционные связи воды с поверхностью кристалличе­ской структуры цементного камня. При размера^ пор A В пределах от 5 • 10~6 мм (50 А) до 1 • 10~4 мм (1000 А) происходит капиллярная конденсация, диффузия ионов и замедленная капиллярная фильтрация. Такая структура может быть условно названа диффузионно-проницаемой. При наличии в материале пор с условным диаметром более 0,1 см цементный камень проницаем и легко впитывает влагу.

Химически связанная вода Вх в кристаллогидратах со­ставляет около 40% веса прогидратированного цемента, что примерно в среднем составляет около 15—20% В0. Таким образом, большая часть воды находится в адсор­бированном состоянии и в условиях капиллярных связей. С изменением влажности окружающего бетон пространства количество адсорбированной влаги и находящейся в ус­ловиях капиллярной фильтрации существенно меняется. Например, по данным В. М. Быкова, с уменьшением влаж­ности со 100 до 50% количество адсорбированной воды уменьшается вдвое.

Вода, находящаяся в химически связанном виде в кри­сталлогидратах, влияет на деформации кристаллических структур, в которые она входит. Безусловно, большое вли­яние оказывает на деформации цементного камня адсорби­рованная вода и вода капилляров, препятствуя быстрому протеканию деформаций после приложения нагрузки и вза­имной деформации ультрамикрокристаллов в тонких слоях под действием нагрузки.

Указанные особенности цементного камня влияют на прочностные и деформативные свойства бетона. Процессы гидратации цементного камня продолжаются, как правило, годами после приготовления бетонной смеси, что в свою очередь изменяет прочностные и деформативные свойства бетона во времени. Однако далеко не все закономерности этих явлений в настоящее время исследованы. Кроме того, любая структура цементного камня, как бы она ни была тщательно изучена в начальном состоянии до нагружения, изменяется в процессе приложения нагрузки. Поэтому зако­номерности изменения прочности и деформирования долж­ны изучаться с учетом изменения структуры бетона под на­грузкой.

В зависимости от количества адсорбированной и свобод­ной воды в структуре цементного камня могут существовать различные связи частиц в кристаллизационных дисперсных структурах. Как обращает внимание П. А. Ребиндер [74], между частицами могут быть коагуляционные связи с вод­ными прослойками в месте контакта, или точечные после высушивания, или фазовые при срастании кристаллов в ме­сте контакта. Естественно, что особенность деформирования под нагрузкой кристаллических частичек, имеющих раз­личные виды контактов, будет различной.

Структура цементного камня видоизменяется в зонах контакта с частицами песка в цементно-песчаном растворе и с частицами крупного заполнителя в бетоне.

Поверхность зерен силикатного песка в результате хи­мического и адсорбционного взаимодействия с гидрооки­сью кальция, находящейся в растворе цементного клинкера в воде, способствует образованию зародышей кристалло - гидратной фазы. При этом возможно прочное срастание пес­чинки с растущими кристалликами.

Свойства зоны контакта цементного камня и заполнителя в значительной степени влияют на"прочность, долговечность и физико-механические свойства бетона. Следует отметить некоторые особенности, характеризующие свойства кон­тактных зон цементного камня в бетоне в период его твер­дения, изучавшихся в работах Т. Ю. Любимовой [54].

Структурообразование цементного камня происходит по-разному в объеме и на границе с заполнителем. У порт - ландцементов, а также некоторых других цементов, проч­ность пограничного слоя отличается от прочности (по из­мерениям микротвердости) цементного камня в остальном объеме. При этом наблюдаются три стадии процесса структу- рообразования. На первом этапе развития гидратации бы­стро нарастает прочность. Значительно большая прочность в контактном слое наблюдается в течение примерно первых 30—40 суток. Затем обнаруживается спад прочности кон­тактного слоя бетона в возрасте 50—60 суток и, наконец, наступает третья стадия, когда снова возрастает абсолют­ная и относительная микротвердость контактных слоев.

На первой стадии твердения у всех заполнителей проч­ность на границе зерна всегда выше. Предполагается, что заполнитель играет роль подложки, на которой заро­дыши развиваются с большими скоростями, чем в объеме. Наибольшая степень упрочнения наблюдается на границе с кварцем. Наибольшая способность к упрочнению кон­тактного слоя на границе со всеми заполнителями наблю­дается у трехкальциевого силиката (алита). Толщина уп­рочненных слоев на границе с кварцем составляет примерно 20 мк. Прочность контактного слоя может оказаться раз­личной под частицей крупного заполнителя и над ней. Под частицей заполнителя может образоваться более крупно­зернистая структура, имеющая меньшую прочность.

Следовательно, для понимания закономерностей пове­дения бетона в условиях нагружения необходимо учиты­вать реальную структуру бетона и его композиционную ос­нову (цементный камень). Структуру бетона учитывают, например, при анализе процессов разрушения бетона от воздействия низкой температуры и попеременного замо­раживания и оттаивания, изучая эффект объемного рас­ширения воды при ее замерзании [63, 50, 61, 38], но без действия внешней нагрузки.

Некоторые исследователи развивают теоретические пред­ставления о разрушении структуры бетона под действием внешней нагрузки [7, 10, 17, 22, 27, 53, 113, 125, 156, 159, 194]. Однако они не учитывают влияния всех компонентов структуры цементного камня, какими являются кристал­лические образования с наличием пор, капилляров и воз­душных включений в бетон, вода в различных ее состояниях. Поэтому необходимо рассмотреть закономерности изме­нения прочности и деформаций бетона от нагрузки и других воздействий с учетом некоторых параметров структуры.