Главная

 

Механизм усадочных деформаций бетона и факторы, влияющие на них (обзор)

 

Аннотация

В данном литературном обзоре приведены различные точки зрения на механизм усадочных деформаций бетона и факторы, влияющие на них.

 

Процесс усадки бетона в ранней стадии играет важную роль в формировании напряженно-деформированного состояния в бетонных и железобетонных элементах. Собственные напряжения, развивающиеся в этих элементах на данной стадии, нередко обусловливают возникновение трещин еще до приложения к ним внешней нагрузки. Поэтому исследованию усадки бетона в раннем возрасте для определения возникающего при этом напряженно-деформированного состояния уделяется все большее внимание.

Усадка бетона протекает в течение длительных периодов времени. Некоторыми исследователями усадка наблюдалась в течение 28 лет. Рост усадки бетона сравнительно быстро уменьшается во времени: от 14 до 34% от общей величины усадки за 20 лет протекает в течение двух недель; от 40 до 80% от общей величины усадки за 20 лет протекает в течение трех месяцев; от 66 до 85% от общей величины усадки за 20 лет протекает в течение года [9].

Согласно Komlos K. и Brull L. [21] максимальные усадочные деформации для цементного теста наблюдаются в период 6-10 часов после затворения и достигают величины (∆l/l) ~19∙10-4, для раствора после 6 ч твердения их величина составляет (5-9)∙10-4, а для бетона через 6-15 ч ~6∙10-4. Усадочные деформации носят затухающий характер и стабилизируются при значениях от 0,1 до 0,7 мм/м через 1-1,5 года.

Пока еще нет общепринятой точки зрения на механизмы и причины деформаций, возникающих в цементном камне и, следовательно, в бетоне при их твердении. Выделяют влажностную, карбонизационную и контракционную составляющую усадки.

Первоначально, после укладки бетонной смеси может происходить седиментация (осаждение) твердых частиц и постепенное ее уплотнение. Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30...90 мин. При этом на поверхности смеси может выделяться вода, изменяться объем смеси. Водоотделение достигает  максимума  через   10...20  мин,  а  затем начинается постепенное всасывание воды вглубь бетона.

На седиментацию влияют продолжительность вибрирования бетона при укладке; размер слоев бетона между арматурой; замедленное схватывание, вызванное низкой температурой и добавкой замедлителей; нестойкость суспензии цемента в связи с отсутствием в нем весьма мелкой фракции; чрезмерным количеством воды; присутствием добавок. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки.

Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует изменениям в поровой структуре материала: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры. Обычно эта усадка развивается в период затвердения бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материала.

Главной составляющей общей усадки бетона является влажностная усадка. Основной ее причиной признается испарение влаги из структуры. По мнению Цилосани З.Н. [11] влажностная усадка цементного камня представляется в следующем виде. Если насыщенный водой цементный камень поместить в воздушную среду, то уже при давлениях пара, незначительно отличающихся от насыщенного, влага начнет испаряться из крупных пор и макрокапилляров. Удаление этой воды не сопровождается объемными изменениями цементного камня. Последние возникают лишь тогда, когда вода начинает испаряться из микропор и капилляров (r < 10-5 см) и капиллярные силы становятся ощутимыми. Происходит это в среде с относительной влажностью в пределах 40-98%, что соответствует обычным условиям службы бетонных сооружений. С появлением капиллярных сил скелет цементного камня оказывается в состоянии всестороннего сжатия и начинает деформироваться. Деформация цементного камня является суммарным эффектом упругой деформации кристаллизационной структуры, постепенного возникновения и развития микротрещин и разрывов в ней и межкристаллического вязкого течения. При относительных влажностях среды, приближающихся к 35-50% капиллярные силы постепенно сводятся к нулю. Однако деформированное состояние сохраняется и дальнейшее понижение влажности сопровождается резким повышением скорости усадки цементного камня в результате испарения межкристаллической (адсорбционно-связанной) воды из межслоевых промежутков кристаллических фаз C-S-H и моносульфогидрата, а также испарения воды в микрощелях и зазорах.

При этом цементный камень в значительной степени деформируется необратимо, что обусловлено, во-первых, образованием и развитием всякого рода разрывов и микротрещин. Во-вторых, возникновением и развитием сил межмолекулярного (когезионного) взаимодействия между поверхностями твердых частиц. Немалую роль играет возникновение между кристалликами новых, а также усиление существующих контактов срастания – кристаллизационных контактов.

Beaudoin J.J. [15] показано, что для цементного камня при высушивании водонасыщенных образцов критическое и медианное значение коэффициента интенсивности напряжений повышаются и достигают максимума при влажности 52%. В диапазоне от 52 до 11% значения этих коэффициентов падают. Полученные данные также свидетельствуют о влиянии капиллярных сил при высыхании цементного камня на процессы трещинообразования.    

Появление и развитие микротрещин полностью изменяет распределение усадочных деформаций в бетоне. По Выровому В.Н. [3] на берегах трещин развиваются разнонаправленные усадочные деформации. Поэтому в образцах с трещинами “снижается” интегральная усадка ξ. Для объективной оценки влияния технологических факторов на величину усадки необходимо обнаружить “видимые” трещины и ширину их раскрытия , где n - количество трещин, расположенных перпендикулярно оси, вдоль которой определяется усадка. Величину усадки образца с трещинами  можно определить из выражения:

Комохов П.Г. [7] считает, что в результате расклинивающего действия молекул воды у вершины микротрещин создается поле напряжений, которое может складываться по принципу суперпозиции с полем напряжений, вызванным неоднородностью бетона. Результирующие напряжения приводят к усадочным деформациям цементного камня.

Для объяснения природы усадки полезны данные, приведенные в работе Красильникова К.Г. с соавторами [8], о том, что в фазе C-S-H катионы Са2+ являются главными центрами адсорбции для молекул воды, а непрерывный рост усадки цементного камня с уменьшением его влажности - это результат сжатия и сближения слоев C-S-H. Сжатие слоистых кристаллов C-S-H объясняется сокращением длины межслоевых связей О-Са-О вследствие десорбции молекул воды с межслоевых катионов Са2+, а также ухода молекул воды из координационных сфер поверхностных катионов Са2+. Таким образом, усадка вызывается уходом межслоевой, поверхностной и межкристаллической воды из микропор (< 15 Å) и воды из капилляров (15 Å > r < 1000 Å).

Рассмотрим ключевые факторы, воздействующие на величину усадки. Согласно Шейкину А.Е. [12] к ним относятся:

1. Вид вяжущего и его химико-минералогический состав.

2. Тонкость помола цемента.

3. Количество в цементе гипса и других минеральных солей, растворяющихся в жидкой фазе цементно-водной суспензии и оказывающих влияние на кинетику и механизм гидратации цемента.

4. Вид и количество химических и пуццолановых добавок, вводимых в бетон.

5. Водоцементное отношение (В/Ц).

6. Параметры окружающей среды (относительная влажность и температура воздуха).

7. Условия твердения цемента.

8. Вид и содержание применяемых заполнителей.    

9. Гранулометрический состав заполнителей.

Факторы эти оказывают неоднозначное влияние как на конечную величину усадки, так и на характер ее протекания во времени. Их действие неаддитивно, т.е. усадка не может быть определена простым суммированием влияния каждого фактора, действующего независимо от других, что усложняет возможность прогнозировать величины усадочных деформаций и получать бетоны с заранее заданными деформациями усадки. Взаимозависимость многих факторов создает трудность в предсказании усадки без обширных исследований.

По Невиллю А.М. [9] наибольшее влияние на величину усадки бетона оказывают заполнители. Усадка бетона  составляет часть усадки чистого цементного камня , она зависит от количества введенного заполнителя а и выражается уравнением вида

где n - эмпирический коэффициент, величина которого изменяется от 1,2 до 1,7.

Считается, что заполнители оказывают ограничивающее действие на усадку цементного камня. Квернадзе А.М. с соавторами [5] исследовали методом голографической интерферометрии усадочные деформации бетона. Выявлено, что вследствие того, что усадка по глубине протекает неодинаково – более интенсивно в наружных и менее интенсивно во внутренних слоях, зерна крупного заполнителя не могут свободно следовать деформациям цементно-песчаной матрицы. Они оказываются защемленными в нижних слоях, испытывающих меньшую усадку.

Препятствуя усадочным деформациям цементного камня, заполнители сопротивляются им и в результате оказываются обжатыми, тогда как цементный камень испытывает растяжение (Зайцев Ю.В. [4], Беккер В.А. и Сергеев С.М. [1]). Доказательством обжатия заполнителя при усадке считается возникновение в бетоне трещин и разрывов при отсутствии внешних силовых воздействий. Аналогичное явление наблюдается в железобетонных конструкциях, где арматура препятствует объемным изменениям цементного камня, а следовательно, в армированных элементах должны возникать собственные, не связанные с внешними воздействиями, напряжения.

Однако, Булатов А.И. и Видовский А.Л. [2] экспериментальным методом установили, что усадка цементного камня из портландцемента не только не способствует, а даже препятствует обжатию заполнителей. Физическая картина, соответствующая этому явлению, по мнению данных авторов, заключается в следующем. Заполнитель в растворе контактирует непосредственно с оболочками из новообразований, окружающими непрогидратировавшие частицы цемента. При образовании из гелевых оболочек кристаллогидратов, т.е. перехода гелеобразного вещества в твердое тело, на его поверхности увеличиваются несбалансированные силы (поверхностное натяжение), что приводит к их усадке (сжатию). Поскольку эти силы направлены внутрь тела, то оболочки из новообразований утончаются, отходят от заполнителя, между ними и заполнителем образуются микрозазоры, что и исключает обжатие.

Важным фактором, влияющим на усадку бетона, являются собственные относительные деформации заполнителей, зависящие от их упругих свойств (модуля упругости).

Например, по Невиллю А.М. [9] использование заполнителей из металла приводит к снижению величины усадки на 30%, а керамзита увеличивает на 30% по сравнению с бетоном на обычном заполнителе. Напротив, содержание в заполнителе глинистых примесей может привести к увеличению усадки бетона на 70%, поскольку глина сама подвержена усадке.

В работе Goto Y. и Fujiwara T. [17] изучено влияние заполнителей различного типа на усадку при высыхании бетонов. Исследовали 38 видов плотного и 5 видов искусственного пористого заполнителя. Отмечается сильное влияние типа заполнителя на усадку бетона. В зависимости от типа заполнителя величина усадки менялась в 14 раз.

В более поздней работе Fujiwara T. [16] показал, что усадка легких заполнителей была меньше, чем тяжелых. Этот факт не совпадает с приведенными выше данными о зависимости усадки от модуля упругости заполнителя. Очевидно, что правильнее связывать усадку с площадью внутренней поверхности материала. Опыты показали, что для всех испытанных заполнителей усадка пропорциональна площади внутренней поверхности. Легкие заполнители при большой общей пористости имеют крупные поры и малую площадь их поверхности, а обычные тяжелые заполнители при меньшей общей пористости обладают меньшими по диаметру порами и большей поверхностью.

Подтверждение данному тезису найдено и в работе Kohno K. с соавторами [20], которые провели эксперименты по исследованию усадки бетонов и влияния влажности и объемной плотности пористых заполнителей на нее. Были использованы три различных вида пористых заполнителей и дробленый заполнитель с объемной плотностью 0,94-2,62 т/м3, водопоглощением 1,94-22,3 об.%, максимальным размером зерен 15 мм и модулем крупности 6,40-6,51. Установлено, что усадка бетона на пористых заполнителях меньше, чем у обычного бетона. Усадка бетона на пористых заполнителях снижается с увеличением содержания влаги и повышением объемной плотности заполнителей.  

Величина и форма крупного заполнителя в чистом виде не влияет на усадку бетона, однако использование более крупного заполнителя позволяет применять более тощие смеси с меньшим содержанием цемента, что приводит к уменьшению величины усадки. Увеличение максимальной крупности заполнителя от 6 до 150 мм позволяет поднять содержание заполнителя в смеси от 60 до 80%, что приводит к уменьшению величины усадки в три раза [9]. В дополнение к этому, бетоны с заполнителями с более шероховатыми поверхностями более стойки к процессу усадки.

На усадочные деформации бетона влияет не только качество, но и содержание заполнителей. Чем больше заполнителей в бетоне и меньше цементного камня, тем меньше усадка. Например, увеличение количества заполнителя в бетоне с 71 до 74% при одинаковом В/Ц позволяет снизить величину усадки примерно на 20% [9]. Наибольшее насыщение объема бетона заполнителем достигается при оптимальном его зерновом составе и наибольшей предельной крупности. Заполнители с прерывистым зерновым составом обеспечивают наименьшую усадку бетона. Чем выше содержание в песке мелких фракций, тем значительнее величина полной усадки.

Необходимо различать два проявления усадки: усадочные деформации и усадочные напряжения. Последние возникают в том случае, когда осуществлению усадочных деформаций что-то препятствует. Как указано выше, в бетоне цементный камень вследствие его усадки и сопротивления заполнителя оказывается растянутым. Однако если учесть, что усадка - процесс длительный, растягивающие усадочные напряжения в цементном камне могут быть не столь опасны: постепенно происходит их релаксация вследствие ползучести цементного камня (это один из примеров того, как нежелательное явление ползучести может оказаться полезным). Благодаря пластическим деформациям усадочные напряжения в бетоне носят временный характер и постепенно затухают. Иное дело, когда усадочные напряжения оказываются столь большими, что достигают предела прочности цементного камня при растяжении. Тогда в цементном камне образуются микротрещины, прочность бетона (особенно при растяжении), его водонепроницаемость, стойкость в агрессивных средах снижаются. Это нередко наблюдается при применении высокомодульного (жесткого) крупного заполнителя, особенно если последний расположен контактно (зерно впритык к зерну), например при раздельном бетонировании. Если такой бетон эксплуатируется в сухой среде, то хотя наблюдаемая усадка очень мала, необходимо учитывать внутреннее напряженное состояние, чтобы исключить трещинообразование.

Из вышеизложенного следует, что для предупреждения проявления внутренних усадочных напряжений и трещинообразования предпочтительно применение низкомодульных, в частности пористых, заполнителей. При таких заполнителях обеспечивается целостность цементного камня, что благоприятно сказывается на долговечности бетона, его водонепроницаемости, стойкости в агрессивных средах.

В последние годы растет производство и применение в бетонах расширяющихся, в том числе напрягающих, цементов. Если бетоны на обычном цементе претерпевают при твердении усадочные деформации, то деформации бетонов на расширяющемся цементе носят обратный характер. В этом случае расширяющийся цементный камень, встречая сопротивление заполнителя, оказывается сжатым, а заполнитель – растянутым, что может сказаться на их сцеплении, особенно при применении плотных заполнителей с высоким модулем упругости. В этом случае еще в большей степени должны проявиться преимущества пористых заполнителей; сцепление их с цементным камнем надежнее, модуль упругости меньше. Следовательно, меньше будут растягивающие напряжения в контактной зоне, больше объемное расширение бетона.

Кроме внутренних ограничений усадки со стороны заполнителя и арматуры возникает ограничение также из-за неоднородности протекания усадки в теле самих бетонных элементов.

С помощью тензометрических датчиков Kim J.-K. и Lee C.-S. [19]  измерили напряжения в бетоне вследствие усадки при высыхании. Показано, что результаты измерения значительно изменяются в зависимости от глубины погружения датчика.   

Потеря влаги со стороны поверхности происходит таким образом, что внутри образца устанавливается градиент влажности, вызывающий неоднородную дифференциальную усадку. Процесс усадки медленно развивается от высыхающей поверхности в глубь бетона. Через месяц глубина высыхания бетона достигает 8 см, а к 10 годам - только 60 см [9]. Такая усадка компенсируется деформациями вследствие внутренних напряжений: растягивающих на поверхности бетона и сжимающих внутри него. Поскольку эти напряжения растут постепенно, они успевают вследствие ползучести релаксироваться, однако поверхностные трещины при этом все-таки могут образовываться.

Так как высыхание бетона происходит с его поверхности, величина усадки зависит от формы и размеров образца, являясь функцией модуля его поверхности (отношение поверхность/объем), так что для практических целей усадка не может рассматриваться как свойство бетона, не зависящее от его размеров. Степень и общая величина усадки уменьшаются с увеличением размера бетонного образца. Однако, время усадки более продолжительнее для бóльших образцов, так как требуется больше времени для достижения усадочных эффектов во внутренних областях образца.

В отчете Американского института бетона (ACI Committee 209, 1993) [13] отмечается, что прогнозирование усадки бетона объемных сооружений, таких как мост, может иметь ошибки, если не учитывать влияние размера сооружения, его площадь поверхности и форму. Поэтому использование опытных данных более предпочтительно, чем использование одного общего прогнозного уравнения и исследование усадки на лабораторных образцах.    

Полевые измерения усадочных деформаций модельной колонны изготовленной из высокопрочного бетона после двух и четырех лет твердения были проведены Aitcin P.-C. с соавторами [14] и сравнены с результатами образцов твердевших в лабораторных условиях. Было показано, что усадочные деформации в полевых условиях были значительно ниже, чем в лабораторных условиях.    

Проведенные Поповым А.И с соавторами [10] исследования поляризационно-оптическим методом собственных напряжений в бетоне показали, что в первые 2-3 месяца твердения на воздухе геометрически-подобных образцов цементного камня, бóльшие усадочные напряжения возникают в образцах с меньшими линейными размерами. Однако примерно через 3 месяца величины удельной усадки выравниваются и свойства цементного камня стабилизируются, что приводит к логичному сближению значений напряжений во всех трех геометрически подобных образцах. Таким образом, сравнение напряженных состояний различных цементных систем (цементный камень, раствор, бетон) для начальных сроков твердения необходимо производить на образцах одного размера. Для поздних сроков (более 150 сут.) возможно применение геометрически подобных образцов.

Другим немаловажным фактором, влияющим на усадку бетона является водоцементное отношение (В/Ц) бетонной смеси. С увеличением В/Ц, прочность цементной пасты и модуль упругости уменьшаются, а потенциал усадки увеличивается.

Matsushita H. с соавторами [23] экспериментальным путем установили, что усадка цементного камня линейно зависит от В/Ц, причем, коэффициент пропорциональности увеличивается с возрастом.

Однако, некоторыми современными авторами (Ковлер К. с соавторами [6]) описывается аутогенная усадка бетонов с низкими В/Ц (~0,35), которая может составлять до половины от общей усадки. Данная усадка вызывается «самовысыханием» бетона, поскольку цемент продолжает потреблять воду для гидратации из пор. Это происходит в течение нескольких дней или недель.

Влияние типа и свойств цемента на усадку в основном незначительно, за исключением цементов для получения бетонов высокой прочности. Более высокая величина усадки чистого цементного камня не обязательно обусловливает высокую усадку бетона на этом цементе. Даже здесь взаимозависимость нескольких факторов делает трудным изолировать причины. Быстротвердеющие цементы увеличивают прочность более быстрее, чем обычные цементы, но и усадка у них выше, чем у других типов, прежде всего из-за увеличения водосодержания с повышением тонкости помола цемента. Бетоны на глиноземистом цементе характеризуются теми же значениями величины усадки, что и бетоны на портландцементе, однако во времени процесс усадки протекает в них более быстро.

Тонкость помола цемента влияет на усадку только в случае содержания частиц крупнее, чем отверстия сита № 200 (Невилль А.М. [9]). Эти частицы гидратируются очень медленно и оказывают удерживающее действие аналогичное заполнителю.

Шейкин А.Е. с соавторами [12] связывает влияние тонкости помола цемента на усадку бетона с количеством в цементе зерен мелких фракций (менее 5 мкм), способных гидратироваться по так называемому «кристаллизационному механизму», т.е. без образования на них экранирующих оболочек.     

Увеличение содержания в цементе зерен менее 5 мкм повышает степень пересыщения жидкой фазы цементно-водной суспензии. Чем больше степень пересыщения жидкой фазы цементно-водной суспензии, тем больше образуется в начальный период формирования структуры центров кристаллизации, тем мельче новообразования и больше их удельная поверхность.

Новообразования коллоидных размеров в цементном камне представлены преимущественно различными гидросиликатами кальция – продуктами гидратации двух основных фаз портландцементного клинкера – C3S трехкальциевого силиката и β-C2S двухкальциевого силиката. Чем больше в единице объема содержится геля гидросиликатов кальция, тем больше в цементном камне адсорбционно-связанной испаряемой воды и тем выше при прочих равных условиях усадочные деформации в процессе его высыхания.

Рассмотрим влияние химических и пуццолановых добавок, вводимых в бетон. Влияние добавок сильно различается в зависимости от их типа. Любой материал, который существенно изменяет поровую структуру цементной пасты, оказывает влияние и на усадочные характеристики бетона.

Пуццолановые добавки обычно увеличивают усадку бетона при высушивании благодаря нескольким факторам. Во-первых, при обычных условиях твердения бетонной смеси пуццоланы в основном способствуют созданию более тонкопористой структуры бетона. Так как величина капиллярного давления зависит от размеров пор, то чем более тонкопористая структура у бетона, тем выше капиллярное давление и тем сильнее производится всестороннее сжатие, вызывающее большую усадку бетона. Во-вторых, цементные пасты, содержащие пуццоланы, такие как, зола-уноса и шлак имеют низкий модуль упругости в раннем возрасте, что делает их более восприимчивыми к увеличению усадки при обычных условиях твердения. Микрокремнезем вносит большой вклад в прочность на ранней стадии твердения, чем другие пуццоланы, но также увеличивает усадку благодаря развитию более тонкопористой структуры.          

Химические добавки имеют тенденцию увеличивать усадку, если они не используются для уменьшения содержания воды в смеси. В этом случае усадка будет уменьшаться. Хлорид кальция, используемый для ускорения твердения и схватывания бетона увеличивает усадку.

Усадка бетона с суперпластификаторами такая же или меньше, чем бетона без добавки, хотя наблюдаются и исключения из этой закономерности.

Manns W. и Zeus K. [22] считают, что многие добавки, модифицирующие свойства бетона, например, замедлители схватывания, пластификаторы и прочие, оказывают на бетон побочные отрицательные действия. Замедлители схватывания могут не только интенсифицировать, но и инициировать возникновение усадочных трещин, причем это влияние выражено тем сильнее, чем больше интервал времени между началом и концом схватывания. Отмечается, что такие замедлители схватывания бетона как сахароза и гидроксикарбоновые кислоты, в меньшей степени замедляющие начало, чем конец схватывания, оказываются с точки зрения возникновения трещин более опасными, чем, например, фосфаты, замедляющие в равной степени начало и конец схватывания. Пластификаторы бетона в зависимости от его консистенции действуют различно. Для бетона с высокой величиной В/Ц (~0,75), которые сами по себе склонны к образованию трещин, введение пластификаторов может уменьшать склонность, а для бетона со средней величиной В/Ц (~0,60), которые при твердении обычно не образуют трещин, опасность их появления может увеличиваться. Склонность бетона к образованию трещин при твердении уменьшается при введении в состав бетона добавок жирных спиртов.

Но усадка твердеющего бетона определяется не только процессами, происходящими в его структуре. Условия окружающей среды при твердении бетона и условия ухода за ним также являются немаловажным фактором, влияющим на усадку бетона.

Длительное хранение бетона во влажных условиях замедляет усадку. При длительном твердении чистого цементного камня большое количество цемента гидратируется полностью, поэтому остается меньшее количество негидратированных зерен цемента, уменьшающих усадку, т.е. такое твердение приводит к увеличению усадки цементного камня.

Усадка хорошо выдержанного бетона протекает быстрее и, следовательно, релаксация усадочных напряжений за счет ползучести меньше. Большая скорость усадки и меньшая ползучесть могут привести к образованию трещин, несмотря на более высокую прочность бетона при растяжении. Этим могут быть объяснены противоречивые результаты влияния длительности твердения на усадку бетона. Как правило, все же продолжительность периода твердения не является фактором, определяющим усадку.

Относительная влажность окружающей среды значительно влияет на усадку бетона. Так, например, значение абсолютных величин усадки значительно больше величин набухания в воде: набухание в воде примерно в шесть раз меньше, чем усадка на воздухе при относительной влажности 70%, и в восемь раз, чем на воздухе при относительной влажности 50% [9].

Это указывает на то, что парциальное давление паров внутри цементного камня всегда меньше, чем давление насыщенного водяного пара, и логично предположить, что существует промежуточная влажность, при которой материал будет находиться в гигроскопическом равновесии. Действительно, по Невиллю А.М. [9] такая влажность составляет 94%. Однако практически равновесие возможно только в небольших образцах.

Кроме влажностной усадки, бетон подвергается и усадке за счет карбонизации. Карбонизационная усадка вызывается реакцией между диоксидом углерода (СО2), представленным в атмосфере и гидроксидом кальция (CaOH2) представленным в цементной пасте. В такие же реакции вступают и некоторые другие продукты гидратации цемента.

Степень карбонизации зависит от влажности бетона и относительной влажности окружающей среды. Процесс карбонизации сильно уменьшается при относительной влажности менее 50%. Размер образцов тоже влияет на карбонизацию. Это связано с тем, что влага, образующаяся, в результате взаимодействия Са(ОН)2 с СО2, стремится диффундировать в атмосферу с тем, чтобы установилось равновесие внутри образцов. Если диффузия протекает медленно, то давление пара в бетоне увеличивается до состояния насыщения и проникание СО2 в образец приостанавливается.

Последовательность протекания процессов высыхания и карбонизации в значительной степени влияет на величину общей усадки.

Одновременное высыхание и карбонизация  приводит к меньшей усадке, чем в случае, когда карбонизация происходит после высыхания, так как в первом случае большая часть процесса карбонизации идет при относительной влажности больше 50%, а при этих условиях усадка за счет карбонизации бетона автоклавного твердения очень мала.

В случае, когда бетон подвергается попеременному увлажнению и высушиванию в атмосфере, содержащей СО2, усадка, обусловленная карбонизацией (в цикле высыхания), становится значительно более заметной. При этом в любой стадии усадка больше, чем в атмосфере, не содержащей СО2, поскольку карбонизация увеличивает величину необратимой ее части и может способствовать образованию трещин в бетоне.

Карбонизация бетона, предшествующая испытаниям при переменном увлажнении и высушивании, уменьшает влажностные деформации иногда наполовину. Это обстоятельство используется в практических целях путем предварительной карбонизации элементов заводского изготовления, проводимой сразу после распалубки. В этом случае при строгом соблюдении влажностных условий при карбонизации получают бетон с малыми величинами влажностных деформаций [9].

Одним из важнейших условий для минимизации усадки и трещинообразования бетона в раннем возрасте является правильный уход за бетоном, наряду с модификацией цемента, применением минеральных и химических добавок, фибр.

Для снижения усадки выделяются внешние и внутренние методы ухода за твердеющим бетоном.

Большинство из традиционных приемов базируется на внешних методах ухода. Они используются как для обычных, так и для высокопрочных бетонов, бетонов высоких технологий. Эти методы включают применение водных запруд, распыление воды, водонасыщенные покрытия (влажная мешковина, опилки и т.п.), использование туманов, синтетических защитных покрытий, защита бетонируемой конструкции от прямого воздействия ветра и солнечной радиации, снижение температуры бетонной смеси, охлаждая заполнители и воду затворения, а также использование специальных средств для ухода и многое другое. Кроме того, применяется разнообразная техника ускоренного ухода, основанная на тепло-влажностной обработке, в том числе и с помощью повышенного давления в автоклавах.

Внутренний уход подразумевает введение в бетонную смесь специальных компонентов, которые служат агентами для последующего ухода. Такие агенты могут быть либо обычными заполнителями, вводимыми в бетонную смесь в специфических условиях (например, в увлажненном или водонасыщенном состоянии), либо дополнительными компонентами (например, добавками или специальными заполнителями). Внутренний уход вносит вклад в уменьшение проницаемости, которая развивается в результате значительного расширения во время ухода. Увеличенное время ухода увеличивает объем образовавшихся продуктов гидратации, которые кольматируют капилляры, заставляют их становиться прерывистыми. Кроме того, внутренний водный уход, обеспеченный абсорбированной водой, миниминизирует пластическую усадку, возникающую вследствие быстрого высушивания бетонов, находящихся в неблагоприятных сухих условиях.

В обзоре Ковлера К. с соавторами [6] описано несколько современных методов ухода за бетоном.

Первый метод предполагает использование предварительно замоченных пористых заполнителей (LWA). В процессе формирования гидратов дополнительная вода оттягивается из относительно больших пор легких заполнителей в значительно меньшие поры цементной пасты. Это минимизирует развитие усадки, так как напряжение усадки контролируется размерами мельчайших пустых пор. Для этой цели предлагается использовать вспученные заполнители.

Второй метод основан на использовании полимеров-суперабсорбентов (SAP), которые могут поглощать жидкости в количествах, значительно превышающих их собственный вес, образуя гель и сохраняя их в своей структуре без растворения. Водопоглощение SAP основано на образовании вторичных химических связей, но вода так слабо связана, что ее можно рассматривать как свободную.

В противоположность LWA, SAP используется как сухая химическая добавка, так как поглощает воду в процессе перемешивания смеси, применение SAP позволяет свободно проектировать поровую структуру и распределение пор по размерам в твердеющем бетоне.

Третий метод заключается в добавлении в процессе перемешивания бетонной смеси водорастворимых химических соединений, которые уменьшают испарение воды при выдерживании бетона в воздушно-сухих условиях, а также миграцию воды в нижерасположенные слои бетона. Водорастворимые полимеры, имеющие гидроксильные (-ОН) и эфирные (-О-) функциональные группы, как было установлено, удовлетворяют требованиям по внутреннему уходу за бетоном, то есть они улучшают сохранение воды в бетоне и повышают степень гидратации цемента. Водородные связи, возникающие между этими функциональными группами, снижают давление паров воды и уменьшают ее испарение. Эти добавки изменяют морфологию геля C-S-H, снижая абсорбционную способность бетона.

Для компенсации усадки бетонов разработаны добавки на основе многоатомных спиртов, при использовании которых усадка снижается на величину до 30%. Применение расширяющих добавок на основе сульфоалюмината кальция, компенсирующих усадку, позволяет в принципе полностью избежать образования трещин в бетоне. Эффективным способом компенсации усадки также является использование расширяющих добавок в сочетании с добавками, снижающими усадку отмечает Montane Serge [35].

 

Выводы

 

Как показал анализ литературных источников, усадочные деформации бетона имеет очень сложный характер. Основной составляющей общей усадки является влажностная усадка, движущими силами которой являются капиллярные силы в микропорах и силы, возникающие при испарении межкристаллической (адсорбционно-связанной) воды из межслоевых промежутков кристаллических фаз C-S-H и моносульфогидрата и микротрещин твердеющего бетона.

Среди основных факторов, влияющих на усадочные деформации бетона можно выделить следующие:

1. Вид вяжущего и его химико-минералогический состав.

2. Тонкость помола цемента.

3. Количество в цементе гипса и других минеральных солей.

4. Вид и количество химических и пуццолановых добавок, вводимых в бетон.

5. Водоцементное отношение (В/Ц).

6. Параметры окружающей среды (относительная влажность и температура воздуха).

7. Условия твердения цемента.

8. Вид и содержание применяемых заполнителей.    

9. Гранулометрический состав заполнителей.

10. Модуль поверхности (отношение поверхности образца к объему).

Одним из важнейших условий для минимизации усадки и трещинообразования бетона в раннем возрасте является правильный уход за бетоном. 

 

Список использованной литературы

 

1. Беккер В.А.,  Сергеев С.М. Особенности развития объемных деформаций бетонов при повторном нагружении сжимающей нагрузкой. //Известия вузов. Строительство и архитектура, -1983. №10. - С.19-20.

2. Булатов А.И., Видовский А.Л. Обжатие цементным камнем заполнителей в бетоне. //Бетон и железобетон, -1985. №3. - С.24-26.

3. Выровой В.Н. Механизм усадки твердеющих и затвердевших композиционных строительных материалов // Технологическая механика бетона: Сб. науч. тр. -Рига: РПИ, 1985. -С.22-27.

4. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. –М.: Стройиздат, 1982.

5. Квернадзе А.М., Тогонидзе В.Н., Иваниадзе Г.Г., Далакишвили Г.Л. Изучение твердения и усадки бетона в ранней стадии методом голографической интерферометрии. //Бетон и железобетон, -1990. №7. - С.19-20.

6. Ковлер К., М. Оле Йенсен, В.Фаликман. Как сделать хороший бетон еще лучше? Новые и традиционные технологии ухода за бетоном. //Технологии бетонов, -2005. №1. -С.52.

7. Комохов П.Г. О влиянии структуры молекулы воды на развитие усадочных деформаций цементного камня и бетона //Сб. тр. Ленингр. ин-та инж. ж.-д. трансп. -1976. -Вып.398. -pp.103-119. 

8. Красильников К.Г., Никитина Л.В., Скоблинская Н.Н. Физико-химия процессов расширения цементов //Сб. тр. VI Международного конгресса по химии цемента. т.III. -М., 1976. -С.60-69.

9. Невилль А.М. Cвойства бетона. Сокращенный перевод с английского В.Д. Парфёнова и Т.Ю. Якуб. Учебное издание. М.:, Изд-во литературы по строительству. 1972 г. 345 стр.

10. Попов А.И., Орентлихер Л.П., Новикова И.П. Определение собственных напряжений в бетоне поляризационно-оптическим методом. //Бетон и железобетон, -1972. №5. - С.41-43.

11. Цилосани З.Н. Исследование механизма усадки кристаллизационных и конденсационных дисперсных структур при удалении влаги. //Коллоидный журнал, -1963. №4. - С.494-499.

12. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. -М.: Стройиздат, 1979. -344 с.,ил.

13. ACI Committee 209. 1993. Prediction of creep, shrinkage, and temperature effects in concrete structures (ACI 209R-92). ACI Manual of Concrete Practice. American Concrete Institute, Detroit, MI, Part 1, 47 pp.

14. Aitcin P.-C., Sarkar S.L., Laplante P. Long-Term Characteristics of a Very High Strength Concrete. Длительные свойства высокопрочного бетона. //Concrete International: Design and Construction, -1990. Jan, Vol.12, -№1. -pp. 40-44.

15. Beaudoin J.J. Meniscus Effects and Fracture in Portland Cement Paste. Капиллярный эффект и разрушение портландцементного камня. //J. Mater. Sci. Lett. -1986. -№11. -pp.1107-1108.

16. Fujiwara T. Change in length of Aggregate due to Drying. Усадка заполнителей. //Bull. Inst. Assoc. Eng. Geol.  -1984. -№30. -pp.25-27.

17. Goto Y., Fujiwara T. Effect of Aggregate on Drying Shrinkage of Concrete. Влияние заполнителей на усадку бетона при высыхании. //Trans. Jap. Soc. Civ. Eng. -1980. -№11. -pp.308-309.

18. Jensen O.M., Hansen P.F. Water-Entrained Cement-Based Materials: I. Principle and Theoretical Background. Водопоглощающие цементные материалы: I. Принципиальное и теоретическое обоснование. //Cem. and Concr. Res. -2001. -№31. -pp.647-654.

19. Kim J.-K., Lee C.-S. Production of differential drying shrinkage in concrete. Оценка усадки при высыхании в бетоне. //Cem. and Concr. Res. -1998. -№7. -pp.985-994.

20. Kohno K, Okamoto T., Isikawa Y., Sibata T., Mori H. Effects of artificial lightweight aggregate on autogenous shrinkage of concrete. Влияние искусственных пористых заполнителей на самопроизвольную усадку бетона. //Cem. and Concr. Res. -1999. -№2. -pp.611-614.

21. Komlos K., Brull L. Uber das Kapillarschwinden von Zementleimen, Morteln und Betonen. Капиллярная усадка цементного теста, раствора и бетона. //TIZ-Fachber. -1986. -№11. -pp.750-755.

22. Manns W., Zeus K. Zum Einflub von Zusatzmitteln auf die Enstehung sogenannter schrumpfrisse. Влияние добавок на возникновение усадочных трещин. //Beton. -1979. -№3. -pp.96-99, 80.

23. Matsushita H., Makizumi T., Chikada T. Influence of mix proportion on shrinkage of cement paste and mortar. Влияние состава на усадочные характеристики цементного камня и раствора. //Cem. Assoc. Jap. Rev. 13th Gen. Meet. Techn. Sess., Tokyo, 1976, Sem. Gijutsu Nempo, 1976. Synop. -Tokyo, -1976. -pp.192-193.

24. Montane Serge. Possibilities to control concrete shrinkage by means of chemical admixtures. Возможности регулирования усадки бетона с помощью химических добавок. //Chimia. -1998. -№5. -pp.208-211.

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

 

Теоретическая механика   Сопротивление материалов

Прикладная механика  Детали машин  Теория машин и механизмов