Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Если предварительно насыщенный водой образец той или иной формы (призма, цилиндр и т. п.), изготовленный из цементного теста, раствора или бетона, поместить в воздушную среду, относительная влажность которой ниже достигаемой при полном насыщении, то образец начнет высыхать. При этом вода вначале будет испаряться из крупных полостей и пор, а затем из капилляров все меньшего диаметра. Испаряться она будет до того момента, когда установится равновесие между содержанием влаги в образце и в окружающей среде (относительная влажность). Вода может испаряться также из образца, не полностью насыщенного водой, но влажность которого выше значения, соответствующего относителыюй влажности окружающей среды. В абсолютно сухом воздухе свободная, адсорбционно- и цеолитно-связанная вода со временем испаряется из цементного или бетонного образца. Вместе с высыханием образца в нем развиваются большие силы давления (сжатия), обусловливающие уменьшение объема и усадку. Эти объемные, а следовательно, и линейные деформации сопровождаются сильными напряжениями в материале, которые становятся иногда выше предела его прочности при растяжении и вызывают образование микро- и макротрещин. Чем больше воды испаряется из тела, тем интенсивнее силы давления и значительнее    усадочные деформации.

Если же цементный или бетонный образец с пониженной влажностью поместить в среду, относительная влажность которой выше равновесной влажности образца, то водосодержание в последнем начинает возрастать. Это сопровождается увеличением объема образца, его набуханием. Подобное явление наблюдается и при погружении образца в воду. Набухание также сопровождается напряжениями, но меньшей интенсивности. Эти обратимые изменения влажности цементного камня или бетона, обусловленные колебаниями влажности окружающей среды, а также соответствующие им обратимые деформации возможны при 0—100 °С. При более высокой температуре также наблюдаются усадочные деформации, но уже вследствие удаления химически связанной воды из гидратных новообразований и других причин.

Рассматриваемые деформации, практическое значение которых особенно важно в области температур 0— 60° С, обусловлены физическими факторами в отличие от химической усадки, к которой относят контракцию, являющуюся следствием химического взаимодействия цемента с водой. Физические деформации усадки или набухания называют иногда собственными или самопроизвольными деформациями в отличие от тех, которые возникают в теле цементного или бетонного образца под действием внешних сил. Рассматриваемые здесь процессы набухания не следует смешивать с увеличением его объема, вызываемым гидратацией оксидов кальция или магния, а также образованием эттрингита.

Схематически явления усадки и набухания цементного камня и бетона при их высыхании или увлажнении, по Р. Лермиту, представлены на  44. Усадку образца цементного камня или бетона, возникающую при их

высыхании от водонасыщеи-

ного состояния до нулевой

влажности, называют иног

да полной. Обычно ее уста

навливают при высушивании

влажных        (водонаеыщен-

ных) образцов в воздушной среде с относительной влажностью 50—-60%. При этом

в начале замеряют длину образцов по окончании влажного хранения, а в последующем — через определенные промежутки времени, пока образцы находятся на воздухе до момента стабилизации их массы и длины. Основная часть усадочных деформаций приходится на первые 3—4 мес, полная же стабилизация наступает лишь через 1—2 года. Усадочные деформации, определенные в этих условиях, приблизительно в два раза меньше присущих образцам, полностью высушиваемым при 105—110°С. Определения усадочных деформаций при высыхании образцов в воздушной среде более точно отражают деформации бетонов в эксплуатационных условиях.

Пока еще нет общепринятой точки зрения на причины деформаций, возникающих в цементном камне и, следовательно, в бетоне при их высыхании или увлажнении. II. А. Мощанекмй, 3. И. Цило-саии, А. Е. Шейкин, Е. Фрейсине, Г. Калоусек, Д Бернал, Р. Лер-мит, В. Чериин и другие по-разному объясняют причины рассматриваемых деформаций.

Для лучшего понимания причин усадки сопоставим данные 3. И. Цилосани о потере влаги цементным камнем во время высыхания с показателями его усадки. Эти данные показаны на  45 в виде кривой изотермы десорбции цементного камня, изготовленного при разных водоцементиых отношениях. Даже при незначительном уменьшении относительной влажности среды начинается интенсивное испарение воды из пор и капилляров диаметром более 20—40 мкм. Но в дальнейшем при относительном давлении пара примерно в пределах 0,09— 0,05 МПа вода начинает испаряться намного медленнее, что объясняется затрудненной отдачей воды тонкими капиллярами. Следующий участок относительных давлений на ординате вновь характеризуется повышенной влагоотдачей, после чего начинается последующий этап незначительного испарения воды, несмотря на большой перепад относительного давления пара в воздухе.

На  46 представлены кривые усадки этих же образцов цементного камня. Сопоставление кривых показывает, что вода из насыщенного ею камня начинает испаряться уже при относительных давлениях пара в окружающем воздухе,   очень   близких   тем,   какие присущи среде, насыщенной паром. При этом вода испаряется из крупных пор без каких-либо усадочных деформаций. Последние возникают лишь с того момента, когда испарение начинается из микрокапилляров диаметром меньше 0,2 мкм при относительном давлении пара порядка 0,98 давления насыщенного пара и ниже.

Усадочные деформации, по Е. Фрейсине, возникают под действием капиллярных сил и приводят к всестороннему обжатию структурных элементов цементного камня. Его деформации являются суммарным выражением упругой деформации структуры, постепенного возникновения и развития микротрещин, вязкого течения структуры.

По А. Е. Шейкину, усадочные деформации, а также ползучесть цементного камня выражена тем слабее, чем меньше в его структуре гелевидных составляющих и чем больше таких компонентов, как крупнокристаллический гидроксид кальция, а также иепрореагировавшая часть клинкерных зерен.

По мере уменьшения давления пара в окружающей среде начинает испаряться вода из наиболее тонких капилляров, что способствует значительному увеличению капиллярного давления. В целом же силы, вызывающие обжатие структуры цементного камня, начинают уменьшаться, а затем исчезают в момент полного удаления зоды из капилляров. Это соответствует приблизительно относительной влажности воздуха 40—45 % (относительное давление 0,4—0,45) и диаметру капилляров примерно 5—10- Ю-3 мкм. С исчезновением капиллярных сил на смену деформациям усадки, казалось, должны бы прийти деформации набухания. В действительности с понижением влажности усадка камня продолжается, но уже под действием сил, освобождающихся при испарении воды, адсорбированной в гелевых порах, а также содержащейся в кристаллической решетке некоторых слоистых гидросиликатов кальция.

По мнению В. Чернина, ван-дер-ваальсовы силы, адсорбциоино удерживающие воду в гелевых порах, освобождаются при ее испарении и вызывают усадку цементного камня. Причиной же его усадки на конечной стадии высыхания является испарение воды из кристаллов гидросиликатов кальция. Как уже отмечалось, некоторые из них, обладая слоистой кристаллической решеткой, способны отдавать и принимать определенное количество воды, заключенной между слоями решетки, что сопровождается соответствующими изменениями расстояний между слоями.

К. Г. Красильников показал, что гидросиликаты кальция с отношением С/5 = 0,8... 1 и содержанием воды до 2,5—2,8 молекулы на 1 молекулу Si02 ступенчато теряют часть воды при относительной влажности воздуха 35 %• Остальная же часть связанной воды постепенно удаляется при дальнейшем понижении влажности среды.

Исследования Г. Калоусека, Г. Д. Диброва, Н. Н. Ско-блинской и др. также показали, что испарение воды из межслоевого пространства кристаллов тоберморита и таких фаз, как CSH(B), сопровождается интенсивной усадкой при наиболее низкой относительной влажности воздуха. Силы, освобождающиеся при испарении воды из гелевых пор, а также из слоистых кристаллов гидросиликатов кальция, настолько значительны, что не только компенсируют набухание системы после исчезновения капиллярных сил, но и вызывают дополнительные деформации усадки.

Если увлажнять полностью высушенный образец цементного камня, то процесс набухания начинается с заполнения влагой гелевых пор и капилляров, а также промежутков между плоскостями кристаллической решетки. Особенно быстро заполняются поры в камне при погружении его в воду. Но следует подчеркнуть, что во-донасыщение полностью высушенного камня, вызывая набухание, не доводит его объем до того, которым обладал образец в водонасыщенном состоянии до сушки. Следовательно, полное высушивание вызывает так называемую необратимую усадку, значение которой достигает 30—50 % полной начальной усадки. Причина ее, по-видимому, кроется в образовании и развитии разрывов и микротрещин в системе в процессе усадочных деформаций, а также в усилении сцепления между гелевыми частичками под действием ван-дер-ваальсовых сил. Влияние этих сил при высушивании возрастает вследствие сближения поверхностей частиц твердой фазы и исчезновения экранирующих пленок воды. Не исключено, что на остаточные деформации влияет неполный возврат воды в промежутки между плоскостями кристаллической решетки гидросиликата кальция.

На показатели величины усадки цементного камня, а следовательно, растворов и бетонов   влияют   многие факторы и, в частности, состав и свойства цемента. Исследования показывают, что цементы с повышенным содержанием оксида кальция (алитовые) и пониженным количеством глинозема (ма-лоалюмииатные) отличаются меньшей склонностью к усадке   при прочих   равных

условиях. По А. Е. Шейкииу, это объясняется тем, что при твердении образуется значительное количество гидроксида кальция в виде довольно крупных кристаллов, создающих каркас, уменьшающий усадочные деформации. Этому же способствует и введение в цемент повышенного количества гипса.

Считается, что усадка цементного камня тем больше, чем дисперснее цемент. Но это справедливо лишь для начальных сроков твердения (до 1—2 мес). При дальнейшем же твердении показатели усадки обычно выравниваются.

Данные П. Галлера ( 47) показывают, что увеличение водоцементного фактора от 0,28 до 0,65 способствует возрастанию усадки камня к годичному сроку примерно в два раза. При этом важно также отметить, что при повышенных ВЩ усадочные деформации затухают значительно медленнее. Влияние температуры (до 100 °С) на усадку относительно невелико, если при этом не изменяется относительная влажность среды. Но обработка цементного камня или бетона паром в автоклавах под давлением, например, 0,8—1,5 МПа (изб.) вызывает резкое уменьшение способности к усадке (в два раза и более). Это следствие «огрубления» тонкой структуры камня с увеличением размеров частиц геля и других компонентов твердой фазы.

Усадка и набухание цементного камня значительно возрастают при введении в него хлористого кальция, особенно в количестве более 1,5 % массы цемента. Усадка уменьшается, если ввести в цемент прочные порошковидные заполнители. Их зерна обволакиваются при твердении цементным гелем и, воспринимая сжимающие силы при высыхании системы, способствуют уменьшению усадочных деформаций. Но в таких системах, как ячеистые бетоны, где заполнителем является воздух, деформации усадки остаются такими же высокими, как и в обычном цементном камне. Уменьшение усадки при введении в цемент порошковидных заполнителей достигается лишь в том случае, если это не сопровождается увеличением водопотребности смешанного вяжущего. Переход же к системам с мелким и крупным заполнителем, т. е. к бетонам, способствует резкому снижению усадок.

Усадка цементного камня в зависимости от свойств исходных цементов и водоцементного фактора колеблется обычно в пределах 3—5 мм/м. Показатели усадки тяжелых бетонов, изготовленных из этих цементов, в 6— 10 раз меньше, чем цементного камня. Показатели усадочных деформаций растворов в 2—4 раза меньше.

Цементный камень, на длительное время помещенный в воду, набухает. Предполагают, что последнее обусловлено усилением процессов гидратации и развитием осмотического давления в гелевидных массах. Оно вызывает не только набухание, но и разрывы гелевых оболочек, отдельные частички которых, размещаясь между соприкасающимися зернами цемента, раздвигают их. Показатели набухания цементного камня в воде тем больше, чем меньше водоцементный фактор, — менее 0,35 — 0,4. Через несколько лет набухание обычно прекращается.

На усадочные деформации цементного камня и бетона значительно влияет их карбонизация под действием С02, присутствующего в воздухе в количестве около 0,03%. Карбонизация приводит сначала к переходу Са(ОН)2 в СаСОз, а затем к разложению гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция с образованием карбоната кальция и водных оксидов кремния, алюминия и железа.

Карбонизация идет лишь при определенной влажности цементного камня и бетона. Полное водонасыщение прекращает практически карбонизацию. Такое же явление наступает при равновесной влажности цементного камня, соответствующей относительной влажности воздуха 30—40 % и менее.

Карбонизация значительно влияет на состав, структуру и объем цементного камня. При образовании в нем карбоната кальция из Са(ОН)2 и С02 объем камня должен был бы увеличиться. В действительности же происходит его необратимая усадка, причины которой еще недостаточно выяснены. По мнению Т. Пауэрса, кристаллы гидроксида кальция, находящиеся под действием сжимающих сил, в процессе карбонизации растворяются и перестают противодействовать этим силам, что приводит к уменьшению объема системы. Кристаллы карбоната кальция, образующиеся в свободных промежутках и полостях системы, не воспринимают сжимающих сил и не препятствуют усадке цементного камня. Вместе с тем наличие карбоната кальция приводит к уменьшению обратимых усадочных деформаций закарбонизнроваиного цементного камня, происходящих при изменениях его влажности. Это объясняется огрублением структуры, обусловленным возникновением сравнительно крупных кристаллов углекислого кальция с меньшей, чем до карбонизации, удельной поверхностью1.

Усадочные деформации измеряют с помощью различных методов и приборов. В лабораторных условиях для этой цели часто применяют   оптический прибор ИЗВ-1,