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

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться под влиянием длительнодействующих в них напряжений, возникающих при действии внешних нагрузок, а также усадки, температурного и других факторов. В зависимости от величины приложенных сил деформация ползучести или постепенно стабилизируется на некотором постоянном уровне, или, непрерывно увеличиваясь, приводит к разрушению тела.

При напряжениях в бетоне до 50—60 % предела его прочности при сжатии ползучесть носит линейный характер и обусловливается преимущественно вязким течением материала при малозаметном нарушении его структуры. При напряжениях, превышающих 50—60 % предела прочности при сжатии, в бетоне усиленно развиваются микротрещины и пластические деформации. В пределах этих и более высоких напряжений неупругие деформации развиваются интенсивнее роста напряжений и ползучесть становится нелинейной. Поэтому бетон часто называют упруговязкопластичным материалом. При напряжениях более 0,8—0,9 предела прочности бетон разрушается.

Показатель ползучести еПз определяют, обычно, как разность между полной деформацией бетона и суммой мгновенной деформации и усадки, которая устанавливается на ненагруженных образцах-близнецах к соответствующему моменту времени.

Количественно значения деформации линейной ползучести цементного камня или бетона к тому или иному моменту времени оценивают с помощью различных характеристик (по относительной деформации линейной ползучести, характеристике ползучести, мере ползучести и Др.).

Мера ползучести представляет собой относительную деформацию ползучести, вызванную напряжением о = = 0,1 МПа; ее размерность см2/МПа.

Показатели ползучести бетонов при обычных нагрузках на конструкции часто значительно превосходят показатели усадочных деформаций от высыхания.

Ползучесть цементного камня и бетона может играть как положительную, так и отрицательную роль. В массивном бетоне она способствует уменьшению растягивающих напряжений, появляющихся вследствие усадки и температурных напряжений. В железобетонных колоннах и балках она уменьшает напряжение в бетоне и повышает их в арматуре. Но она способствует также повышенному прогибу железобетонных конструкций, работающих на изгиб, и уменьшает предварительное напряжение стали в предиапряжеиных элементах.

Это свидетельствует о большом практическом значении ползучести различных материалов и, в первую очередь, цементных бетонов.

Ползучесть бетонов зависит от многих факторов. В первую очередь следует отметить, что показатели ползучести приблизительно пропорциональны значению нагрузок, характерных для конструкций. Если значение длительной нагрузки на бетон исчислять в процентах предела его прочности при сжатии, то показатель ползучести при нагрузке 50 % прочности бетона будет приблизительно в 2 раза больше, чем при нагрузке 25%. Как уже отмечалось, такая пропорциональность сохраняется лишь до нагрузок, составляющих 50—60 % предела прочности испытываемого бетона.

Ползучесть в большей мере зависит от В/Ц. Она уменьшается у цементного раствора или бетона, изготовленных при В/Ц=0,45...0,4. При значениях 0,45—0,6 она возрастает приблизительно прямопропорционально, а более высокие В/Ц влияют на нее меньше. В связи с этим бетоны на цементах пониженной активности, но с малыми В/Ц могут характеризоваться меньшими деформациями ползучести, чем бетоны из высокопрочных цементов при высоких показателях В/Ц. Вместе с тем бетоны на быстротвердеющих цементах, достигающие через короткие сроки высокой прочности, соответственно быстро приобретают пониженную ползучесть.

Ползучесть интенсивно развивается в первые сроки после нагружения конструкции (1—3 мес), а затем постепенно затухает и сходит практически на нет (как и усадка) к 1—2 годам. Она в большой степени зависит от достигнутой прочности при твердении цементного камня или бетона перед их нагружением. Чем больше при этом их прочность, тем меньше деформации ползучести после их нагружения.

На показатели ползучести влияет и влажность цементного камня или бетона. Опыты показывают, что чем больше влажность бетона, тем больше деформации ползучести; они особенно возрастают у водонасыщенных образцов.

Влияние минерального состава цементов на ползучесть проявляется не столь сильно. Меньшей ползучестью, как и усадочными деформациями при изменениях влажности, характеризуются алитовые и малоалюмииат-ные цементы, при твердении которых образуется много гидроксида кальция и других соединений в виде относительно крупных кристаллических образований.

Ползучесть цементного камня, растворов и бетонов в значительной степени зависит и от условий их твердения. Пропаривание при 80—100°С способствует некоторому ее уменьшению. Резкое снижение ползучести, а также необратимых деформаций при кратковременных нагрузках наблюдается в результате обработки цементных растворов и бетонов паром под давлением в автоклавах. Это явление, так же как и уменьшение усадочных деформаций при высыхании цементного камня или бетона в результате автоклавной обработки, объясняется огрублением их структуры, что видно по резкому уменьшению удельной поверхности новообразований.    Таким образом, тепловлажностная обработка может служить средством регулирования деформаций ползучести и усадки цементных бетонов.

Явление ползучести до настоящего времени не получило общепризнанного истолкования. А. А. Гвоздев, С. В. Александровский и другие исследователи полагают, что ползучесть связана преимущественно с перераспределением капиллярной и адсорбционно-связанной воды (содержащейся в новообразованиях цементного камня) в зависимости от напряжений, возникающих в его теле под влиянием внешней нагрузки. Уменьшение же содержания воды в той или иной зоне камня обусловливает усадку, а увеличение в другой части тела — набухание, что и выражается, в конечном счете, в деформациях ползучести.

Линейная ползучесть, по гипотезе Е. Фрейсине, К. С. Карапетяна, А. В. Саталкииа, И. И. Улицкого, А. Е. Шейнина, — следствие как реологических свойств (вязкости) гелевой структурной составляющей цементного камня, так и капиллярных явлений, протекающих в бетоне. Затухание деформаций ползучести объясняют при этом увеличением во времени вязкости гелевой составляющей цементного камня, уменьшением относительного ее объема, испарением воды из бетона и перераспределением напряжений с гелевой составляющей на кристаллический сросток. Кроме того, в бетонах затухание деформаций ползучести возможно и вследствие перераспределения во времени напряжений с вяжущего на заполнители.

З. И. Цилосани полагает, что ползучесть обусловливается возникновением и развитием под нагрузкой микротрещин в кристаллических сростках структуры. При этом он учитывает эффект облегчения деформации тел в присутствии воды, а также наблюдения О. Я- Берга и др. за возникновением микротрещин при нагружении бетона еще задолго до потери им несущей способности. Наличие влаги в цементном камне облегчает развитие разрывов и дефектов, что способствует ползучести при пониженных нагрузках. Это явление усиливается также межкристаллическим вязким течением в затвердевшем цементе.

Как уже отмечалось, гель состоит из высокодисперсных частичек кристаллической структуры. Как известно, к коллоидным относятся системы, состоящие из частичек размером 5—10—100• 10~3 мкм независимо от того» какой они структуры (полукристаллической или аморфной). В соответствии с этим А. В. Волженский полагает, что линейная ползучесть, являясь следствием упруго-вязкого течения цементного камня под действием возникающих в нем длительно действующих напряжений', зависит в первую очередь от степени дисперсности частичек новообразований. Чем меньше размеры частичек цементирующих новообразований и чем больше их удельная поверхность, тем сильнее выражена ползучесть (при прочих равных условиях). Укрупнение же коллоидных частичек должно способствовать уменьшению значений: деформаций ползучести при одинаковых напряжен ияХ-Необязательно связывать пониженную ползучесть цементного камня лишь с повышенным содержанием тех. кристаллических новообразований, которые обнаруживаются с помощью оптического микроскопа. Возможны такие структуры цементного камня, которые при одинаковом количестве крупных, определяемых под микроскопом:» частичек будут значительно различаться по показателям ползучести. Это будет зависеть от размера частичек, слагающих гели. При величине преобладающих по размеру частиц цементного геля 5—20-10~3 мкм возможна повышенная ползучесть системы, при частицах же размером 5—20-Ю-2 мкм она должна быть значительно меньше.

Пониженная дисперсность гелевых частичек способствует уменьшению деформаций ползучести вследствие не только увеличения жесткости системы, но и уменьшения содержания в ней адсорбционно- и капиллярно-связанной воды. Вода в псевдотвердом состоянии, распределенная в виде пленок толщиной в несколько слоез молекул на поверхностях гелевых частичек, должна увеличивать ползучесть. Капиллярная и свободная вода» способствующая набуханию гелей, также должна облегчать вязкое течение системы под действием нагрузок. Как показывают опыты, высушивание цементного камин резко уменьшает его ползучесть.

Затухание деформаций ползучести при длительном: выдерживании цементного камня или бетона под действием сил, не вызывающих их разрушения, является следствием перераспределения напряжений в системе с более слабых участков на- более прочные и упругие, а также вовлечения новых участков   системы,   воспринимающих нагрузки. При этом должна увеличиваться общая площадь контактов, на которую распределяется нагрузка. Как полагают А. А. Гвоздев и С. В. Александровский, не исключено и вытеснение воды из наиболее напряженных участков системы, способствующее повышению ее вязкости и прочности.