Усадка бетона и факторы, влияющие на усадку

1. УСАДКА БЕТОНА И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УСАДКУ

Усадка бетона при  твердении и наборе прочности (самопроизвольное уменьшение в объеме) – одно из его  фундаментальных свойств. Усадку вызывают различные процессы, связанные с  уменьшением содержания в бетоне воды. Рассмотрим эти процессы.

Минералогический состав портландцемента. Количество адсорбированной и межплоскостной воды увеличивается с увеличением степени гидратации и содержании тоберморитового геля, который имеет развитую удельную поверхность (до 2 200 000 см²/г). Следовательно, чем больше тоберморитового геля, продукта гидратации С₂S и C₃S, тем выше деформации усадки.

Большое влияние на усадку оказывает содержание СзА, образующего при гидратации «войлочную» структуру, в которой «запутывается» много жидкой фазы. Если содержание гипса отрегулировать до оптимального, при котором произойдет связывание С₃А в эттрингит, то наблюдается и уменьшение деформаций усадки. Увеличение содержания СзА в клинкере требует повышения содержания гипса. Установлено оптимальное значение количества гипса в цементе, позволяющее получать наименьшую усадку. Щелочи в цементе увеличивают усадку.

Тонкость помола цемента. С повышением содержания в цементе мелких зерен изменяется строение порового пространства -увеличивается содержание мелких капилляров. Это вызывает увеличение поверхности порового пространства и объемных деформаций усадки. Кроме того, повышение тонкости помола цемента определяет высокую степень пересыщения жидкой фазы при гидратации и образование большого числа центров кристаллизации. Чем мельче новообразования, тем больше их удельная поверхность, объем адсорбционно-связанной воды и величина деформаций усадки. Повышение удельной поверхности исходного цемента от 2 630 до 4 500 см²/г увеличивает усадку цементного камня примерно в 4 раза.

Увеличение В/Ц также приводит к увеличению усадки. Это связано и с увеличением степени гидратации цемента с ростом В/Ц и с увеличением пористости цементного камня, что способствует удалению влаги при нарушении гигрометрического равновесия цементного камня с окружающей средой.

Продолжительность высушивания. Усадка носит затухающий характер, так как по мере высыхания цементного камня уменьшается влажностный градиент, а с уменьшением толщины водных пленок прочность их связи с субмикрокристаллами геля увеличивается. По абсолютной величине усадка будет тем больше, чем ниже относительная влажность окружающей среды, при относительной влажности 100 % усадки нет.

Заполнитель и арматура. Зерна заполнителя, окруженные цементным камнем, препятствуют усадке. Усадка бетона составляет часть усадки чистого цементного камня и зависит от доли введенного заполнителя. Размеры и форма заполнителя в чистом виде не влияет на усадку бетона, однако использование более крупного заполнителя позволяет поднять его содержание в смеси от 60 до 80 %, в результате усадка уменьшается в три раза. Точно также при одинаковой прочности бетон, изготовленный из смеси с меньшей удобоукладываемостью, характеризуется меньшей усадкой. Усадка уменьшается при армировании, поскольку арматура как и заполнитель препятствует усадке цементного камня.

Условия и возраст твердения. Усадка бетона протекает в тече- 
ние длительных периодов времени. Часть этой усадки происходит за счет 
карбонизации. Длительное хранение бетона во влажных условиях за- 
медляет усадку, однако при последующем высушивании усадка про- 
текает быстрее. Большая скорость роста усадочных напряжений и меньшая релаксация могут привести к образованию трещин, несмотря на более высокую прочность бетона при растяжении. Быстрое высушивание в любом случае не дает возможности релаксации усадочных напряжений и может вызывать трещинообразование, например, вокруг частиц заполнителя. Это может сопровождаться снижением общей усадки.

Форма и размер бетонного  изделия, т.е. модуль его поверхно- 
сти. Кроме внутренних ограничений усадки со стороны заполнителя и 
арматуры, возникает ограничение из-за неоднородности протекания 
усадки в теле бетонных элементов. Потеря влаги с поверхности бето- 
на приводит к возникновению усадочных деформаций, которым пре- 
пятствуют более глубокие, еще не обезвоженные слои бетона. Это 
вызывает появление растягивающих напряжений на поверхности бе- 
тона и сжимающих внутри его.

2. РАЗВИТИЕ УСАДОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ВЫСЫХАНИИ БЕТОНА

В высыхающих системах действуют капиллярные, адгезионно-когезионные силы и противодействующие им упругие силы. В максимально увлажненном бетоне суммарная потенциальная энергия внутренних и поверхностных напряжений в структуре минимальна.

На  первом этапе высыхания бетона, когда  удаляется свободная вода с поверхности  наружного слоя бетона, сжимающие  напряжения (F_δ¹) являются следствием поверхностного натяжения жидкости:

F_δ¹=σ × L / S₀

где σ - поверхностное натяжение жидкости; L — периметр поперечного сечения образца; S₀ - сумма поперечных сечений частиц в сечении всего образца.

На  втором этапе сушки происходит удаление свободной и части капиллярно-связанной  воды. Под действием сил поверхностного натяжения на вогнутых микроменисках жидкости развиваются растягивающие напряжения в жидкой фазе. В структуре твердой фазы создается сложное напряженное состояние: по линии действия менисков и по всей поверхности соприкосновения твердой фазы с жидкостью возникают растягивающие в поперечном направлении напряжения и сжимающие в продольном - по оси капилляров. Поэтому, несмотря на общее увеличение числа связей в единице объема и повышение прочности в бездефектных участках элементов структуры, реальная величина разрушающей нагрузки при изгибе и растяжении может падать, а при сжатии - возрастать.

На  втором этапе ускоренно развиваются  и приближаются к максимальным усадочные напряжения. Силы капиллярного сжатия (контракции) F_σo являются доминирующей величиной, в цементном камне под действием этих сил могут возникать сжимающие напряжения более 5 МПа. Противодействует сжимающим напряжениям элемент упругой силы структуры (F_s). Скорость роста F_σo значительно больше роста F_s. Величина усадочного напряжения на втором этапе высыхания будет равна

F_δ¹¹=(F_σo - F_s)/S₀

Из-за неравномерного высыхания бетона растянутое состояние периферийных областей тела вызывает в его ядре сжимающие  напряжения. В этом случае необходимо, чтобы развивающиеся при высыхании напряжения успевали отрелаксировать за счет пластических деформаций поверхностных слоев бетона и не достигали критических величин, приводящих к разрушению в наиболее дефектных участках элементов структуры.

механическом сжимающем действии капиллярных сил в некоторых участках структуры могут возникать вторичные адгезионно-когезионные, межчастичные молекулярные связи. Адгезионно-когезионные силы могут действовать сквозь сольватно-адсорбционные слои. Величина F_k в течение этого периода остается еще незначительной, поэтому ей можно пренебречь.

Таким образом, в течение второго периода  силы упругого сопротивления структуры компенсируют капиллярные силы контракции, развивающиеся при высыхании.

С удалением  воды, связанной капиллярно и гидратно (третий этап высыхания) исчезают все мениски, на которые действовали капиллярные силы, достигавшие перед этим максимальных значений. На этом этапе проявляется отрицательная роль адсорбционно-мономоле-кулярных слоев воды, снижающих когезионно-адгезионное взаимодействие. Одновременно на этом этапе в случае высыхания материалов слоистой тоберморитоподобной структуры происходит удаление жидкой фазы из их межплоскостных пространств. Для третьего этапа высыхания напряжения в бетоне:

F_δ¹¹¹=(F_σo - F_s+F_k)/S_o

При продолжающемся увеличении F_σo и F_s скорости их роста остаются практически одинаковыми. Рост напряжения капиллярной контракции (F_σo) и напряжения противодействия структуры (F_s) заканчивается в момент исчезновения мениска испаряющейся жидкой фазы (переход в четвертый этап сушки). На этом этапе заканчивается образование вторичных адгезионно-когезионных связей, когда сближаются отдельные противолежащие частицы структуры, попадающие в сферу действия межмолекулярных сил. В конце третьего этапа сушки структура материала испытывает максимальные усадочные напряжения. В случае хрупких дисперсных структур при относительно большой скорости роста внутренних напряжений от высыхания и медленной их релаксации эти напряжения концентрируются в дефектных участках структуры, давая начало новым трещинам и поверхностям.

Рост  внутренних напряжений протекает одновременно с релаксацией напряжений, что обусловливает перераспределение и выравнивание напряжений, приводит к согласованному равномерному росту всех многочисленных микродефектов, к снижению концентрации напряжений и торможению роста наиболее опасной трещины до критической величины - разрыва. При большой скорости роста внутренних напряжений и медленной их релаксации в процессе высыхания они не успевают равномерно распределиться в микродефектах и микротрещинах. В результате создаются условия для роста критической трещины, предопределяющей разрыв по дефектным местам.

В случае самопроизвольного сближения дисперсных частиц в процессе сушки возникают упругие силы отталкивания, которые препятствуют межмолекулярному взаимодействию между частицами и внутри частиц. Однако концентрация твердой фазы возрастает, растет и число связей в единице объема.

Помимо  усадки при высушивании различают  также контракци-онную усадку, которая связана с уменьшением объема системы «цемент-вода» при возникновении новообразований в процессе твердения вяжущего, а также с физико-химическим процессом адсорбции воды поверхностью зерен и кристаллов новообразований, при котором происходит уплотнение воды в тонких адсорбционных слоях и сжатие системы.

При кристаллогидратационной контракции в системе «цемент-вода» происходит увеличение общего объема твердой фазы и внешних размеров тела, если эта система находится в водной среде. При испарении воды или когда образец бетона находится в пирометрическом равновесии со средой, происходит уменьшение внешних размеров (собственно усадка), но оно в 10...20 раз меньше полной усадки при высыхании.

При испарении  растворов из капиллярно-пористых тел  происходит повышение концентрации раствора на поверхности тела, отсюда появляются возможность проявления осмотической усадки - сжатия гелеобразных структур под действием осмотических сил. В устьях микропор образуются вогнутые мениски, вызывающие возникновение капиллярного давления, как при высыхании.

Существует  еще карбонизационная усадка, являющаяся следствием контракционного уменьшения объема затвердевшего цементного камня в бетоне при химическом взаимодействии гидроксида кальция с углекислым газом воздуха. Необходимым условием этой усадки является напряженное состояние кристаллов Са(ОН)₂ в результате влажностной усадки и действия внешних сил.

Усадка  при карбонизации, также как и  осмотическая усадка протекает одновременно с высыханием, то есть входит как составляющая в общую влажностную усадку.

При отрицательных  температурах и отсутствии влагопотерь цементного камня (охлаждение изолированных образцов) могут происходить объемные изменения гелевой составляющей. В этих условиях поры геля обезвоживаются за счет миграции переохлажденной воды к центрам кристаллизации льда в более крупных порах, что сопровождается деформациями усадки.

Величина  влажностной усадки цементного камня  находится в пределах (70...100)10^-5 мм/мм, величина контракционной усадки цементного камня через 40...50 суток твердения достигает 20-10^-5 мм/мм, карбонизационная усадка может быть довольно значительной и достигать величин, близких к влажностной усадке.