Учебное пособие 800523

2.5. Эксплуатационная деформируемость поризованных бетонов

Для цементных поризованных бетонов нормального твердения опреде-

ляющим, критическим свойством, можно сказать камнем преткновения, выступает их трещиностойкость, определяемая эксплуатационной деформируемостью

(усадкой, ползучестью), так как именно от нее зависит долговечность конструкций.

В связи с большей перспективностью применения цементного поризованного бетона в монолитном строительстве проблема управления его дефор-

мативными свойствами рассматривалась применительно к этому варианту его изготовления, когда на процесс рождения и развития бетона сразу же начинает накладываться влияние эксплуатационных факторов.

2.5.1.Процессы изменения состояния, структуры и свойств, динамика деформирования поризованных бетонов

при твердении в монолитных конструкциях

Анализ и систематизация (табл. 12) процессов основывается на следующих представлениях. Процессы изменения состояния и деформирования мате-

риала развиваются во времени под воздействием внешних и внутренних движущих сил изменений. Движущим силами изменения состояния материала вы-

ступают происходящие в нем энергетические явления, термодинамическая направленность которых объясняется закономерным стремлением любой природ-

ной системы занять положение с минимальным запасом энергии и перейти в состояние равновесия.

Внутренние движущие силы обусловлены мерой метастабильности и избыточной энергии твердеющей системы "цемент + вода", а энергетический за-

пас определяется возрастом бетона. Они вызывают развитие гидратации и твердения как совокупности процессов формирования структуры цементного камня вследствие гидролиза и гидратации клинкерных минералов, зародышеобразования, кристаллизации, собирательной рекристаллизации с присущими им тепловыми эффектами

Внешние движущие силы обусловлены наличием неравновесного со сре-

дой теплового и вещественного состояния материала, воздействием механической нагрузки и определяются параметрами эксплуатационной среды.

51

Таблица 12 Движущие силы и система процессов, определяющих

формирование напряженно-деформированного состояния материала в конструкциях

52

Анализ условий работы поризованного бетона на этапах возведения и эксплуатации конструкций зданий позволяет принять следующие значения параметров эксплуатационной среды:

сезонное изменение температур в интервале (-35...+35) 0С;

влажность наружного воздуха и внутри помещений (30... 100) %;

концентрация атмосферной углекислоты - 0,03...0,04;

величина механической нагрузки на элементы конструкций зданий до 4 - 5 этажей - ≤ 2,0 МПа.

Внешние движущие силы являются возбудителями:

теплообмена материала со средой, в том числе в виде циклического на- гревания-охлаждения конструкции;

массообмена - как развития процессов высыхания, циклического увлажнения - высушивания,

химической коррозии;

сжатия и растяжения от воздействия механической нагрузки.

Вызванные ими изменения будут продолжаться до наступления равновесного состояния "материал - среда" с периодическим повторением при варьи-

ровании условий среды, приводящих к нарушению такого равновесия. На всем протяжении технологического и эксплуатационного циклов материал может взаимодействовать со средой по типу закрытой и открытой системы 38 . В со-

ответствии с положениями термодинамики система "материал-среда" считается закрытой, когда отсутствует массообмен материала со средой при наличии теплообмена (до распалубки конструкции), и открытой - при осуществлении мас-

со- и теплообмена (после снятия опалубки).

Таким образом, рассмотренные движущие силы определяют закономер-

ности процессов изменения состояния материала, а именно: гидратации и твердения, тепловыделения, тепло- и массообмена со средой, химической коррозии,

сжатия и растяжения от воздействия механической нагрузки.

Развиваясь во времени, данные процессы сопровождаются соответст-

вующими объемными изменениями - контракцией, температурными и влажностными деформациями, деформациями от химической коррозии и механи-

ческой нагрузки. На основе существующих представлений о механизме объемных изменений принимается, что развитие всех видов деформирования яв-

ляется следствием изменения баланса внутренних сил в материале.

При гидратации развитие внутренних напряжений имеет физико-

химическую природу и связано, во-первых, с уменьшением объема системы

53

«цемент-вода» при коагуляционном самоуплотнении цементного теста, которое определяется адсорбцией воды поверхностью цементных зерен, что внешне сопровождается сжатием системы., Во-вторых, при возникновении новообразова-

ний, имеющих меньший объем, чем объем исходных продуктов 50,51 , проис-

ходит уменьшение объема системы твердения, которое принято называть хи-

мической или контракционной усадкой.. Несмотря на то, что контракционная усадка развивается в раннем возрасте материала, а ее величина незначительна,

в бетоне уменьшение объема цементного камня в результате контракции способствует возникновению растягивающих напряжений в цементной матрице и на поверхности раздела с заполнителем.

Развитие влажностной усадки при обезвоживании определяется измене-

нием баланса сил, участвующих в связи твердой фазы и пор с жидкой фазой. Ее проявление обусловлено действие различных по своей природе сил, участ-

вующих в связи твердой фазы и порового пространства с жидкой фазой 52-54

и вызывающих изменение напряженного состояния материала и его объема. В итоге величина влажностной усадки определяется равнодействующей (см. разд. 2.2, рис. 3):

сил капиллярного стяжения при удалении свободной, капиллярно-

насыщенной и капиллярно-конденсированной воды из пор;

сил поверхностного натяжения при десорбции воды с поверхности твер-

дой фазы;

сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперс-

ных частиц матричного (цементирующего) вещества при удалении межкристаллической воды;

сил внутренних связей в кристаллах при уходе из них межслоевой воды;

сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне

одновременного протекания релаксационных процессов в ней.

Мера этих сил в материале считается зависящей от его состава и структу-

ры, чем, собственно, и обусловливается возможное содержание в материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой. Проявление же действия этих сил зависит от степени обезвоживания и соответственно вида удаляемой воды.

При теплообмене материала со средой напряжения в бетоне обусловлены различием в величинах коэффициента температурного расширения его струк-

турных составляющих 55 .

При химической коррозии в процессе разложения новообразований аг-

рессивными агентами эксплуатационной среды 56,57 напряжения оказывают-

54

ся следствием изменения объема затвердевшего цементного камня. В нашем случае речь идет преимущественно о карбонизационной усадке, обусловленной действием атмосферной углекислоты. Данный вид усадки, как известно, носит физико-химический характер и является следствием уменьшения объема затвердевшего цементного камня в бетоне при разложении кристаллов гидрооки-

си кальция, находящегося в напряженном состоянии, в результате их химического взаимодействия с углекислым газом.

Воздействие эксплуатационной механической нагрузки дополнительно переводит твердеющий бетон в неравновесное напряженное состояние, вызы-

вающее упруго-мгновенные деформации и деформации ползучести.

При этом деформации бетона до распалубки складываются из контрак-

ционных и температурных деформаций, а после распалубки в основном - из температурных, влажностных и деформаций карбонизационной усадки; после загружения дополнительный вклад вносят деформации от механической нагрузки. Общая величина объемных изменений материала определяется также силами упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне одновременного протекания релаксационных процессов в структуре.

Проблема проявления материалом деформации и соответственно трещиностойкости связана с формированием напряженно-деформированного со-

стояния материала в конструкции на всем протяжении технологического и эксплуатационного циклов в результате развития рассмотренных процессов.

Именно изменение во времени температурного и вещественного состояния твердеющего материала, градиенты температуры, влажности, вещественного состава материала в объеме конструкции является причиной формирования полей деформаций и напряжений, что и приводит к образованию и развитию тре-

щин.

Трещиностойкость материала определяется потенциальной способностью состава и структуры материала воспринимать развитие деформаций и напряжений при соответствующих эксплуатационных воздействиях. Согласно совре-

менным представлениям механики разрушения разрушение материала рассмат-

ривается как процесс образования и развития трещин в его структуре 58-60 . В

условиях напряжении начальные микротрещины и дефекты развиваются, и потеря несущей способности материалом наступает в результате подрастания трещин, их объединения в магистральную трещину. В соответствии с этим управление трещиностойкостью бетонов при эксплуатации следует связывать как с управлением его деформативными характеристиками, так и с воздействи-

55

ем на процесс развития и распространения трещин, то есть с управлением вяз-

костью разрушения материала.

При постановке исследований эксперименты проводили последовательно со следующими модельными системами: цементным микробетоном, мелкозернистым плотным и мелкозернистым поризованным бетоном (табл. 13).

Таблица 13

«Модельные» системы и границы варьирования рецептурно-технологических факторов

При обосновании условий проведения эксперимента исходили из того, что развитие процессов изменения состояния и деформирования поризованного бетона, формуемого и твердеющего в монолитных конструкциях, происходит в отличающихся температурно-влажностных условиях. Поэтому при постановке экспериментальных исследований необходимым было создание таких условий хранения образцов, чтобы, во-первых, моделировались естественные влажност-

ные режимы, в которых может оказаться бетон после операции распалубки отформованной монолитной конструкции, а, во-вторых, обеспечивались также различные условия обезвоживания по ее сечению. С этой целью создавали "мо-

56

дельные" среды с относительными парциальными давлениями водяного пара р/р0 = 0,32; 0,5; 0,75; 1,0.

Отметим, что при твердении материала в среде с р/р0 = 0,32 и 0,5 соз-

даются условия, в которых оказывается поризованный бетон в поверхностных слоях монолитной стены. Помещение материала в среду с р/р0 = 0,75 позволяет судить о развитии деформаций во внутренних слоях монолитной стены. Использование среды с р/р0 =1,0 дополнительно позволяет судить о возможном характере деформирования материала в том случае, когда отсутствует обезвоживание материала. Например, при нанесении защитных покрытий непосредст-

венно после распалубки или при работе материала в теплоизоляционном слое перекрытий и полов, закрываемых водонепроницаемым пленочным материалом

(линолеумом и т.п.).

Исследования процессов структурообразования, обезвоживания и дефор-

мирования производили при квазистатическом режиме высыхания, когда вследствие принятой малой толщины образцов материала (8...10 мм) достигает-

ся минимум градиента влагосодержания по их сечению. Контроль изменения массы и длины образцов (размером 10 40 160 мм) производили непосредст-

венно после распалубки, в сроки 1, 3, 7, 14, 28 суток с момента распалубки и далее через каждые 14 суток. Динамика показателей сопротивления разруше-

нию и трещинообразованию в процессе твердения цементного микробетона, плотного и поризованного мелкозернистого бетона оценивалась по пределу прочности на сжатие Rb, модулю упругости Е, критическому коэффициенту интенсивности напряжений (вязкости разрушения) КIc. Испытания образцов про-

водились после твердения их в нормальных условиях в течение 7, 14, 28, 90,180 суток. Показатель КIc определялся по схеме нормального отрыва на образцах размером 40 80 400 мм, имевших искусственную трещину – надрез 27 ; ди-

намический модуль упругости оценивали на образцах 40 40 160 мм с помо-

щью ультразвукового прибора УК - 14П; предел прочности при сжатии уста-

навливали по ГОСТ 10180-90 "Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам".

Параллельно с механическими испытаниями вели оценки степени гидратации цемента, минералогического состава цементирующего вещества, для чего использовали рентгенофазовый (дифрактометр ДРОН - 4) и дифференци- ально-термический (дериватограф системы Ф. Паулика, И. Паулика и Л. Эрдея)

методы.

57

Основные результаты исследований процессов изменения состояния и деформирования рассмотренных модельных систем сводятся к следующему.

Цементный микробетон, являясь матрицей бетонов плотной и поризован-

ной структуры, оказывается носителем развивающихся в материале изменений. Поэтому закономерности процессов структурообразования и твердения, изме-

нения состояния и деформирования цементного микробетона имеют общее для плотного и поризованного бетона значение.

Исследованиями установлено, что динамика процессов гидратации и твердения, изменения влажностного состояния, деформирования микробетона в принятом диапазоне варьирования рецептурно-технологических факторов и условий среды характеризуется следующими типичными закономерностями (рис. 11).

В ранние сроки гидратации цемента и структурообразования цементного камня (до 14...28 суток) идет образование портландита (дифракционные максимумы 1,92; 2,61; 4,86 Å), накопление преимущественно гелевидной морфологи-

ческой разности гидросиликатов кальция (дифракционные максимумы 2,95; 2,78; 1,83 Å). Кроме того, одновременно фиксируется повышенное содержание эттрингита (дифракционные максимумы 9,51; 5,61; 4,67 Å) (рис. 12, табл. 13). При дальнейшем развитии процессов гидратации вместе с постепенным пре-

кращением накопления новообразований происходит "старение" гелевидной фазы, переход эттрингита в низкосульфатные гидросульфоалюминаты кальция

(дифракционные максимумы 8,92; 4,46; 2,45 Å), что сопровождается изменением их удельной поверхности и удельной поверхностной энергии.

58

50